research day 2016 stadt der zukunft - bht-berlin.de

Research Day 2016Stadt der ZukunftTagungsband – 5.7.2016

Rese

arch

Day

201

6 –

Stad

t der

Zuk

unft

R

esea

Rch

Day

20

16

003

004

Vorwort _____________________________________________________________________________________________________ 008

Gastbeitrag: Digitale Vernetzung – Die Grundlage der Stadt der Zukunft __________________ 010

Agenda _____________________________________________________________________________________________________ 014

Posterflash ________________________________________________________________________________________________ 016

Impressionen _____________________________________________________________________________________________ 018

Impressum ________________________________________________________________________________________________ 172

Inhalt

R

esea

Rch

Day

20

16

005

LIFE SCIENCE

Wachstum von neuronalen Strukturen innerhalb eines zellularen AutomatenProf. Dr. Felix Gers ___________________________________________________________________________________________ 022

Evaluation der Toxizität von Chlorbenzol- und Anilinderivaten auf abbauende MikroorganismenProf. Dr.-Ing. Peter Götz ∧ M.Sc. Christian Wilken ∧ M.Sc. Robert Genth ∧ M.Sc. Sebastian Hans _____ 028

Smoothed Particle Hydrodynamics – Netzfreie Simulationen mehrphasiger HerausforderungenProf. Dr.-Ing. Joachim Villwock ∧ M.Eng Christian Oertel ∧ B.Eng Sabine Przybilla ∧

B.Eng Pierre Sabrowski _____________________________________________________________________________________ 034

Etablierung von molekularen Nachweissystemen auf Basis der quantitativen (real-time) PCRProf. Dr. Steffen Prowe ∧ M.Sc.-Psych. Susanne Helbig ∧ M.Sc. Susanne Fischer ______________________ 042

Detektion und Desinfektion von mikrobiologischen Kontaminationen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie Dipl.-Ing. Andreas Albin ∧ Dipl.-Ing. Jochen Brunner ∧

B.Sc. Deborah Herdt ∧ Kerstin Schlachter ∧ Dr.-Ing. Martin Senz ∧

Prof. Dr. Matthias Rädle ∧ Prof. Dr.-Ing. Johannes Bader _________________________________________________ 050

Poster Life Science ______________________________________________________________________________________ 057

006

MEDIEN- & KOMMUNIKATIONSTECHNOLOGIEN

»Smart Learning« in der beruflichen Bildung M.Sc. Christopher Krauß ∧ Prof. Dr. Agathe Merceron ∧ M.Sc. Truong-Sinh An ∧

M.Sc. Miggi Zwicklbauer ∧ M.Sc. Martin Dinziol ∧ Michael Scharp ______________________________________ 066

Healthy Ageing in the City of the Future: »Fitness MOOC« (fMOOC) – an innovative MOOC design with wearable technologies Prof. Dr. Ilona Buchem ∧ Prof. Dr. Agathe Merceron ∧ Prof. Dr. Joern Kreutel ___________________________ 072

Freistrahloptische TurbulenzschlüsselverteilungM.Sc. Jasper Rödiger ∧ Dr.-Ing. Nicolas Perlot ∧ Prof. Dr.-Ing. Michael Rohde __________________________ 080

Analyse diskreter Krümmungen in der FreiformflächenmodellierungProf. Dr. rer. nat. Ute Wagner ∧ Thomas Rausch __________________________________________________________ 086

ExCELL – eine Plattform für die Vorhersage und Analyse von VerkehrsdatenFelix Kunde ∧ Stephan Pieper ∧ Prof. Dr. oec. Petra Sauer ________________________________________________ 094

»MitCSR« – Mitarbeiter finden und binden durch CSR-Maßnahmen und gezielte Kommunikation Prof. Dr. rer. pol. Andreas Deckmann ∧ M.A. Franziska Freudenberger ∧

Prof. Dr. Silke Bustamante ∧ Prof. Dr. Andrea Pelzeter ∧ Dipl.-Soz. Rudi Ehlscheidt ____________________ 102

Poster Medien- und Kommunikationstechnologien _____________________________________________ 111

R

esea

Rch

Day

20

16

007

Urbane Technologien

ModEnCo – Modellbasiertes Energiecontrolling für Planung und Betrieb komplexer Energiesysteme von KMU Prof. Dipl.-Kfm. Kai Kummert ∧ Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Horst Wildemann ∧ M.Sc. Süleyman

Sandikçi ∧ Dipl.-Phys. Frank Scheffler ∧ M.Sc. Jonathan Schulze ∧ Dr.-Ing. Stefan Kirschbaum ∧

Dipl.-Math. M.Sc. Gregor Wrobel ∧ Dipl.-Ing. Andreas Reimer ∧ M.Sc. Jan-Hauke Helmts ____________ 120

»Maximalwohnen« – ein gemeinschaftliches Wohnmodell für Großstädte Prof. Dipl.-Ing. Gerd Sedelies ∧ B.Sc. Yasmin Naqvi ∧

B.Sc. Nils Pötting ∧ Prof. Dr.-Ing. Susanne Junker ________________________________________________________ 130

Weiterentwicklung von AbwasserpumpschächtenM.Sc. R. Abou Ackl ∧ M.Eng. A. Swienty ∧ Prof. Dr.-Ing. P.U. Thamsen __________________________________ 136

Hochgeschwindigkeitsfräsen im Formenbau für das Spritzgießen geometrisch komplexer Kunststoffteile Prof. Dr.-Ing. Jörg Schmütz _________________________________________________________________________________ 142

Schwimmende Architektur – (nicht nur) Chancen für die Berliner und Brandenburger GewässerProf. Dr. sc. techn. Horst Stopp ∧ Dr.-Ing. Peter Strangfeld ______________________________________________ 148

Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Sonderanlagen (BioClime-Projekt) Teilaspekt: Methodik Bauteilanalyse – U-Werte für BestandsgebäudeProf. Dipl.-Ing. Katja Biek ∧ Dipl.-Ing. Jörg Rüdiger ∧ M. Sc. Alexandra Schultrich _____________________ 156

Poster Urbane Technologien __________________________________________________________________________ 163

008

↗ Prof. Dr. rer. nat. SebaStian von KlinSKi ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ Vizepräsident für forschung und hochschulprozesse

Die Herausforderungen in Städten wie Berlin nehmen stetig zu

Megatrends wie Urbanisierung, Demogra-phischer Wandel und Klimawandel werden die Welt vor große Herausforderungen stellen. Mehr als die Hälfte der Weltbe-völkerung lebt bereits heute in Städten. Selbst die Landflucht in industrialisierten Ländern wie Deutschland wird weiterge-hen.

Ein sehr wichtiger Impuls, diese Herausfor-derungen in den Städten anzugehen, stellt unter anderem die zunehmende Digitalisie-rung aller Bereiche unseres Lebens dar. Mit ihr können Geschäftsprozesse beschleu-nigt und damit verbundene Kosten redu-ziert werden. Voraussetzung für diese Digi-talisierung ist dabei auch die zunehmende Vernetzung aller Lebensbereiche. Während früher die digitale Kommunikation vor al-lem zwischen Computer an Arbeitsplätzen und Server stattfand, erstreckt sich der

digitale Datenaustausch bereits heute auf alle Bereiche unseres Lebens.

Mit Smartphones und anderen mobilen Ge-räten tauschen wir uns über Anwendungen wie WhatsApp und Twitter Informationen mit Freunden und Bekannten aus. Selbst-verständlich gehen wir davon aus, dass unsere Daten durch eine Verschlüsselung der Nachrichten geschützt sind. Doch die Daten, die ohne unser Wissen erfasst und gespeichert werden, sagen zum Teil sehr viel mehr über uns aus als der Inhalt unse-rer Nachrichten.

Dieses Datensammeln und Auswerten wird häufig als Big-Data bezeichnet und berei-tet vielen Nutzern Sorgen, weil wir so für Staat und Wirtschaft zu gläsernen Bürgern werden. Andererseits bietet diese Form der Datenauswertung auch Chancen, den

R

esea

Rch

Day

20

16

009

Herausforderungen, die beispielsweise mit dem demographischen Wandel verbunden sind, zu begegnen. Es können ganz neue Ansätze für die Unterstützung älterer Bür-ger, beispielsweise durch eine angepasste Stadtentwicklung oder auch Planung der Stadtinfrastruktur entwickelt werden.

Der Einfluss der IT und der fortschreitenden Digitalisierung auf unser Leben ist dabei nicht immer gleich ersichtlich. Derzeit wird auch intensiv diskutiert, welchen Einfluss die Digitalisierung auf die Abwicklung der Produktionsprozesse in der Industrie ha-ben wird.

Darüber hinaus gibt es aber auch viele an-dere Bereiche, in denen die Entwicklungen der nächsten Jahre grundlegende Neue-rungen bringen werden. Zukunftshäuser, die Verbesserung von Energieeffizienz von

Immobilien, moderne Wohnkonzepte und Wohngemeinschaften in naher Zukunft oder der Einfluss der Digitalisierung im Stu-dium sind nur einige Beispiele dafür.

Dies sind nur einige spannenden Entwick-lungen, die derzeit sowohl die Wirtschaft als auch die Forschung beschäftigen. Eine ganze Reihe dieser Themen werden in dem vorliegenden Band adressiert. Die For-schungskommission der Beuth Hochschule hat in einem Peer-Review-Verfahren aus den Einreichungen Beiträge für den Re-search Day als Vortrag, Poster und Tagungs-band ausgewählt. Sie sind ein spannender Ausschnitt der derzeit laufenden For-schungsprojekte, mit denen neue Wege für unsere Stadt der Zukunft erforscht werden.

Ich wünsche Ihnen viel Freude beim Lesen der inspirierenden Lektüre. «

Á Prof. Dr. rer. nat. Sebastian von Klinski

010

↗ Prof. Dr. ManfreD HauSwirtH ∧ fraunhofer fokus ∧ tu Berlin

Digitale Vernetzung –Die Grundlage der Stadt der Zukunft

Im Jahr 2050 werden laut einer Studie der Vereinten Nationen 6,3 Milliarden Menschen in urbanen Räumen leben. Der Anteil der Stadtbewohner wird sich somit im Vergleich zu heute in den kommenden Jahrzehnten verdoppeln. Weltweit schreitet die Verstädterung voran und erfordert kon-kreten Handlungsbedarf. Städte sind also eine gesellschaftliche und technologische Herausforderung und eine Chance zugleich: Sie verbrauchen 75 Prozent der globalen natürlichen Ressourcen und 80 Prozent der globalen Energie, zudem produzieren sie 75 Prozent der globalen CO2-Emissionen; gleichzeitig aber sollen sie ihren Bewohnern einen ressourcenschonenden, modernen und zukunftsfähigen Lebensraum bieten.

Im April 2000 hat der Bürgermeister von Denver, Wellington E. Webb, den »First Transatlantic Summit of Mayors« mit den Worten eröffnet: »If the nineteenth century was the century of empires and the twen-

tieth century the century of nation states, then the twenty-first century will be the century of cities.«. Wir sehen heute, 16 Jah-re nach dieser Rede, dass Webb mit seiner Prognose richtig liegt. Das 21. Jahrhundert ist aber nicht nur das Jahrhundert der Städte, sondern auch das Jahrhundert der Digitalisierung. Die aktuell anhaltende Wel-le der zunehmenden Digitalisierung betrifft die durchgängige Verknüpfung von realer und digitaler Welt. Diese Digitale Vernet-zung umfasst in der realen Welt alle Dinge, Prozesse und Personen, die uns umgeben. In der digitalen Welt sind es Daten und di-gitale Informationen, Kommunikationsnet-ze, Dienstplattformen, Geschäftsprozesse, Applikationen und Dienste, Identitäten und Analyseprozesse. Wir bewegen uns stets parallel in beiden dieser Welten und die wechselseitige Durchdringung ist inzwi-schen signifikant: Im Jahr 2015 waren be-reits 4,5 Milliarden Menschen über soziale Netzwerke weltweit miteinander verbun-

R

esea

Rch

Day

20

16

011

den. Das Marktforschungsinstitut Forrester schätzte die Zahl der vernetzten Produkte im selben Jahr auf 3,5 Milliarden, Tendenz steigend. In der Folge werden in den USA jährlich umgerechnet rund 17,5 Milliarden Euro als Wagniskapital in die digitale Zu-kunft investiert, in ganz Europa sind es 3,5 Milliarden Euro. Wenn wir nun an die digital vernetzte Stadt denken, die intelligente Stadt, die Smart City, dann meinen wir Städte, die die Digitalisierung nutzen, um kaum noch CO2-Emissionen zu produzie-ren, die höchst energieeffizient arbeiten und bestmögliche Lebensqualität für ihre Bewohner bieten. Die smarte Stadt bietet ein Umfeld für durchgängige Elektromobili-tät, ist attraktiv für innovative Gründer und Start-Ups und hat eine transparente und partizipative Verwaltung.

Die Digitale Vernetzung ist an dieser Stelle der Treiber der smarten Stadt. Die opti-male Integration von Systemen befördert

Effektivität und Effizienz – unabhängige technische Systeme werden zu integrierten Systemen. Die Daten und digitalen Infor-mationen sind der Treibstoff der smarten Stadt. Alle vorliegenden physikalischen Größen und Ereignisse können gemessen, aggregiert und gefiltert, analysiert und in Entscheidungsprozesse eingebracht wer-den. Datensparsamkeit und Datenschutz muss dabei integral mitgedacht und an-gewendet werden. Messen, analysieren und optimieren stellen einen Kreislauf dar, denn die smarte Stadt ist kein feststehen-des Ziel, sondern ein kontinuierlicher Pro-zess der Weiterentwicklung.

Als Folge der zunehmenden Digitalisierung nimmt die Verfügbarkeit von Daten stark zu. Das European Data Portal, welches unter Mitwirkung von Fraunhofer FOKUS auf den Weg gebracht wurde, weist bereits über 500 000 Datensets für den Public Sec-tor auf. Das Pilotportal »Netzdaten Berlin«

Á Prof. Dr. Manfred Hauswirth

© Matthias Heyde/ Fraunhofer FOKUS

012

macht Daten für den Private Sector öffent-lich zugänglich und wächst ebenfalls stetig. Im Zuge der rasch zunehmenden digitalen Vernetzung von Geräten unter dem Stich-wort »Internet of Things« (IoT) kommen in den nächsten Jahren exponentiell wachsen-de Datenmengen auf uns zu. Bereits 2014 gab es weltweit mehr vernetzte Geräte als Menschen, bis 2020 rechnet man mit rund 50 Milliarden vernetzten Geräten.

Um von diesen riesigen Datenmengen als Gesellschaft profitieren zu können, müssen unnötige Barrieren abgebaut werden, das heißt von Datensilos zu sinnvoll vernetzten Daten. Die bloße Ansammlung von Daten in riesigen Datensilos bringt zunächst keinen unmittelbaren Nutzen. Erst eine semantische Verknüpfung und Vernetzung der Daten macht diese Daten verständlich, so dass sich daraus Anwendungen ableiten lassen, die für uns einen echten Mehrwert haben und gleichzeitig das Zusammenle-

ben in urbanen Lebensräumen erleichtern können – Stichwort »Smart City«. Wir brau-chen dafür ein städtisches Daten-Ökosys-tem, das Daten zugänglich und verwendbar macht. Die Rohdaten werden von der Zivil-gesellschaft, der Verwaltung, der Wirtschaft und der Wissenschaft gleichzeitig verarbei-tet, angeboten und wiederverwendet – un-ter Berücksichtigung von Datensparsamkeit und Datenschutz. In einem intelligenten Daten-Ökosystem werden diese Daten untereinander mannigfaltig verknüpft und wiederholt verarbeitet, so dass sich daraus in urbanen Ballungsgebieten entsprechen-de Anwendungen mit einem Mehrwert für die Bewohner generieren lassen. Das Credo lautet: Innovation durch Vernetzung.

Im neugegründeten Fraunhofer Leistungs-zentrum »Digitale Vernetzung« findet genau das statt. Im Zentrum der Arbeit des Leistungszentrums stehen Technologien und Lösungen, die der zunehmenden

Quellen United Nations, Department of Economic

and Social Affairs: World Urbanization Pros-

pects, S. 23. New York 2015

Forrester Research Inc.: Internet-Of-Things

Software Platforms Simplify Transformation

Of Business Operations, April 2015

Leistungszentrum Digitale Vernetzung:

www.digitale-vernetzung.org

R

esea

Rch

Day

20

16

013

Digitalisierung und Vernetzung aller Le-bensbereiche Rechnung tragen. Das Leis-tungszentrum ist eine Kooperation der vier Berliner Fraunhofer-Institute FOKUS, HHI, IPK und IZM. Geforscht wird dabei sowohl an Basis- und Querschnittstechnologien als auch an Lösungen für vier konkrete Anwen-dungsbereiche:

» Gesundheit und Medizin » Mobilität und Zukunftsstadt » Industrie und Produktion » Kritische Infrastrukturen

Das Anliegen der Partner ist die Bünde-lung ihrer Kompetenzen in den Bereichen Informations- und Kommunikationstechno-logien sowie Datenverarbeitung und -auf-bereitung, Entwicklung und Bereitstellung elektronischer Systeme sowie Produktion und Mikroelektronik. Es geht vor allem darum, Synergieeffekte zwischen diesen Bereichen zu nutzen und die gesamte tech-

nologische Kette der Digitalen Vernetzung abzudecken. Das Zentrum will die Digitale Vernetzung nicht nur deutschlandweit, sondern auch international vorantreiben und Berlin als Leuchtturm für die nächste Welle der Digitalisierung zukunftsfähig po-sitionieren.

Mit seiner exzellenten Forschungsland-schaft, seiner vibrierenden High-Tech Gründerszene und der vielfältigen Präsenz international führender Unternehmen, kann Berlin seine Vorreiterrolle mit einer konzertierten wissenschaftlich-technischen Initiative für vernetzte Digitalisierung aus-bauen. Da es auch ein erklärtes Ziel des Leistungszentrums ist, die Ansiedlung der Industrie zu befördern, werden auch Part-ner außerhalb der Region in das Leistungs-zentrum eingebunden. Damit betreiben wir Technologieforschung für die Digitale Vernetzung, für Plattformen, Komponenten und neue Standards. «

014Research Day 2016 Stadt der Zukunft

Eröffnung Prof. Dr. Sebastian von Klinski (Vizepräsident für Forschung und Hochschulprozesse)Grusswort Steffen Krach (Staatssekretär für Wissenschaft)

Gastredner Digitale Vernetzung: Die Grundlage der Stadt der Zukunft 20 Minuten Prof. Dr. Manfred Hauswirth (Fraunhofer FOKUS)

Podium Vorträge » Gesundes Altern in der Stadt der Zukunft

Prof. Dr. Ilona Buchem (Beuth Hochschule) » Analyse diskreter Krümmungen in der Freiformflächenmodellierung

Prof. Dr. rer. nat. Ute Wagner (Beuth Hochschule) » Schwimmende Architektur

Prof. Dr.-Ing. habil. Horst Stopp (BTU Cottbus-Senftenberg) » Smart Learning in der beruflichen Bildung

Prof. Dr. Agathe Merceron (Beuth Hochschule) » Maximalwohnen - ein gemeinschaftliches Wohnmodell für Großstädte

Prof. Dipl.-Ing. Gerd Sedelies und Frau Yasmin Naqvi, B. Sc. (Beuth Hochschule)

Poster-Flash Jede(r) Aussteller/-in präsentiert das eigene Poster in einer Minuteetwa 25 Minuten

Get-together Ausstellung und Diskussion » 18 Posterbeiträge zu Lösungsansätzen und aktuellen Entwicklungen (Wissenschaftler/-innen und

Partner aus der Region Berlin/Brandenburg) » Zukunftsvisionen von Studierenden aus dem Fachbereich IV - Architektur und Gebäudetechnik

mit Büffet

Zeit Dienstag, 05.07.2016; 16:30 bis 19:00 Uhr anschließend Get-together

Ort Beuth Hochschule für Technik Berlin Beuth Halle Luxemburger Str. 10 13353 Berlin

Moderation Prof. Dr. Anne König Beuth Hochschule für Technik Berlin

je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH

C Haus GRASHOFB Haus GAU

DHaus BAUWESEN

Research Day 2016 Stadt der Zukunft












mit Büffet




je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH


DHaus BAUWESEN













mit Büffet




je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH


DHaus BAUWESEN













mit Büffet




je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH


DHaus BAUWESEN













mit Büffet




je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH


DHaus BAUWESEN

R

esea

Rch

Day

20

16

015

Agenda

eröffnungProf. Dr. Sebastian von Klinski

Vizepräsident für Forschung

und Hochschulprozesse

Beuth Hochschule

gruSSwortSteffen Krach

Staatssekretär für Wissenschaft

Senatsverwaltung für Bildung,

Jugend und Wissenschaft

gaStreDnerProf. Dr. Manfred Hauswirth

Fraunhofer-Institut für Offene

Kommunikationssysteme –

FOKUS

MoDerationProf. Dr. Anne König

Beuth Hochschule

vortragProf. Dr. Ilona Buchem

Beuth Hochschule

vortragProf. Dr. rer. nat. Ute Wagner

Beuth Hochschule

vortrag Prof. Dr.-Ing. habil.

Horst Stopp

BTU Cottbus-Senftenberg

vortrag Prof. Dr. Agathe Merceron

Beuth Hochschule

vortrag Prof. Dipl.-Ing. Gerd Sedelies

und B.Sc. Yasmin Naqvi

Beuth Hochschule

016Research Day 2016 Stadt der Zukunft

Dipl.-Ing. Andreas Albin · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Detektion und Desinfektion von mikrobiolo-gischen Kontaminationen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie durch den Einsatz optimierter Bioindikatoren · Forschungs-schwerpunkt »Life Sciences«

Dr. Katja Karstens · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Optimierung der biobasierten Aceton-Butanol-Ethanol-Produktion durch Mikroverkapselung von Clostridium acetobutylicum · Forschungs-schwerpunkt »Life Sciences«

Prof. Dr. rer. nat. Hans-Peter Welzel · Hofmann & Sommer GmbH: Analyse von Off-Flavor eines Melissengeistes und technologische Optimierung · For-schungsschwerpunkt »Life Sciences«

Franziska Hannemann · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Etablierung von molekularen Nachweis-systemen auf Basis der quantitativen (real-time) PCR zum Monitoren pathogener Mikroorganismen in einem Biogasprozess · Forschungsschwerpunkt »Life Sciences«

M. Sc. Jonas Pieper · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Räumliche Disparitäten in der medizinischen Grundversorgung von Kindern in der Region Berlin-Brandenburg · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

Prof. Dr. Andreas Deckmann · Beuth Hochschule für Technik Berlin: MitCSR – Mitarbeiter finden und binden durch CSR-Maßnahmen und gezielte Kommunika-tion · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

Prof. Dr. Felix Alexander Gers · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Wachstum von neuronalen Strukturen innerhalb eines zellularen Automaten · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

Prof. Dr. Bri Newesely · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Theaterbau-Sammlung - DFG-Projekt zur Digitalisierung und Entwicklung zu einem Online-Archiv · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

Dipl.-Ing. Anna Poznanska · Deutsches Zentrum für Luft- und Raum-fahrt: Hochauflösende Sensorsysteme für den praktischen Einsatz in der städtischen Fernerkundung · Forschungsschwerpunkt »Medien- und Kommunikationstechnologien«

M. Sc. Felix Kunde· Beuth Hochschule für Technik : Excell - Eine Plattform für die Vorhersage und Analyse von Verkehrsdaten · Forschungs-schwerpunkt »Medien- und Kommunikations-technologien«

M. Sc. Jonathan Schulze · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Modellbasiertes Energiecontrolling · For-schungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. Dipl.-Ing. Katja Biek · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Energieeffizienz in Quartieren - Implemen-tierung der theoretischen CO2-Einsparpo-tenziale· Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. Dr.-Ing. Huu-Thoi Le · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Herstellung des Nutzerkomforts durch Aufheizoptimierung · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Dipl.-Ing. Michael Dienst · Beuth Hochschule für Technik Berlin: MuLAB: Das Museum als Labor für maritime Zukunftstechnik · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. Dr.-Ing. Michael Prytula · Fachhochschule Potsdam: Die Stadt von morgen studieren - Konzept für einen inter- und transdisziplinären Masterstu-diengang · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

M. Eng. Andreas Swienty · Technische Universität Berlin: Weiterentwicklung von Abwasserpumpschäch-ten · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. Dr.-Ing. Susanne Junker · Beuth Hochschule für Technik Berlin: »ArbeitsRaumHaus« Flughafenstrasse- urbane Rückbebauung einer Brandwand-schneise · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«

Prof. Dr. Jörg Schmütz · Beuth Hochschule für Technik Berlin: Hochgeschwindigkeitsfräsen im Formenbau für das Spritzgießen geometrisch komplexer Kunststoffteile · Forschungsschwerpunkt »Urbane Technologien«













mit Büffet




je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH


DHaus BAUWESEN













mit Büffet




je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH


DHaus BAUWESEN













mit Büffet




je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH


DHaus BAUWESEN













mit Büffet




je 10 Minuten

Amrumer StraßeU9

Ostender Straße

Luxemburger Straße

Triftstraße

PARKHAUS

Limburger Straße

Lütt

iche

r Str

aße

Am

rum

er S

traß

e

Tege

ler S

traß

e

Beuth-Halle

AtzeTheater

Mensa

LeopoldplatzU6 U9

Gen

ter S

traß

e

PRÄSIDIUMP

A Haus BEUTH


DHaus BAUWESEN

R

esea

Rch

Day

20

16

017

Posterflash

018

Impressionen

R

esea

Rch

Day

20

16

019

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

021

LIFE SCIENCE

022

Wir schlagen ein neues genetisches Wachstumsmodell für den traditionellen CoDi Zellularautomaten zur Simulation von spikenden neuronalen Netzen vor. Mit dem neuen Modell lassen sich biologische Neuronenmorphologien realitäts-nah erzeugen. Die Ergebnisse werden mit realen Neuronen aus einer biologi-schen Datenbank verglichen. Das neue Wachstumsmodell wird in Bezug auf die Anwendbarkeit von evolutionären Algorithmen diskutiert.

We propose a new genetic growth model for the traditional CoDi cellular automa-ton for the simulation of spiking neural networks. With the new model biological neuron morphologies can be produced close to reality. The results are compared to real neurons from a biological database. We discuss the new growth model with respect to the applicability of evolutionary algorithms.

↗ Prof. Dr. felix gerS ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich Vi – informatik und medien

Wachstum von neuronalenStrukturen innerhalb eineszellularen Automaten

Á Abbildung 1: Der zweidimensionale CoDi Zellularautomat am Ende der Wachstumsphase mit Neu-

ronenkernen in Weiß, Axon-Zellen in Rot und Dendriten-Zellen in Grün. Der leere Raum ist schwarz-

grau, abhängig von der lokalen genetischen Formation, eingefärbt.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

023

einleitungMit dem CoDi Zellularautomaten können neuronale Strukturen innerhalb eines zel-lulären Raumes wachsen und deren Funk-tionsweise simuliert und analysiert werden [Ger 97]. Zur Optimierung der Strukturen in Bezug auf eine gewünschte Funktionalität werden diese mit evolutionären Techniken optimiert [Hou 99], [Sch 04].

In der hier vorgestellten Arbeit wird der Wachstumsprozess so modifiziert, dass die entstehenden zellulären Strukturen biologischen Neuronen ähnlich sind. In den bisherigen Arbeiten zu CoDi spielte die biologische Plausibilität in Bezug auf die erzeugten neuronalen Strukturen eine untergeordnete Rolle. Bei Arbeiten mit biologischem Fokus wiederum wachsen die neuronalen Strukturen nicht in diskreten zellulären, sondern in reellwertigen Räu-men. In einem solchen Ansatz von Cuntz werden, um einen Neuronenkern als Zent-rum, Verzweigungspunkte zufällig im Raum verteilt und schrittweise zu Axon- oder Den-dritenbaum verbunden [Cun 10]. Im Folgen-den wird zunächst der traditionelle CoDi Automat beschrieben und im Anschluss die neuen Wachstumsalgorithmen vorgestellt.

Der CoDi ZellularautoMatUm Zellularautomaten auf paralleler Hard-ware ausführen zu können, ist es wichtig, den Speicherbedarf der einzelnen Zellen möglichst gering zu halten. Der traditionelle zwei-dimensionale (2D) CoDi Zellularauto-mat benötigt in seiner »1-Bit-Signal«-Imple-mentierung 17 Bit für die Wachstums- sowie für die Arbeitsphase der neuronalen Struk-turen [Ger 97]. Dabei bestehen elektrische Signale wie Spikes oder Membranpotenzia-le jeweils nur aus einem Bit.

Die Zellen des Automaten interagieren jeweils mit den vier direkt angrenzenden Nachbarzellen. Der Automat arbeitet mit vier grundlegenden Zelltypen:

» Leere Zeilen repräsentieren ungenutzten Raum. Sie nehmen nicht an der Interak-tion teil.

» Neuronenkerne bestehen aus einer Zelle. Sie summieren elektrische Signale von den umliegenden Dendriten-Zellen und geben beim Erreichen eines Schwellwer-tes ein Spike-Signal an die anliegende Axon-Zelle weiter.

» Axon-Zellen verteilen Spikes, die von dem zugehörigen Neuronenkern herrüh-ren, entlang des Axon-Baums an angren-zende Dendriten-Zellen.

» Dendriten-Zellen sammeln und vereini-gen Spikes von benachbarten Axon-Zel-len und leiten diese an den zugehörigen Neuronenkern weiter.

Diese Zellinteraktionen decken alle vor-kommenden Fälle ab. Prinzipiell werden Spikes in Neuronenkern-Zellen erzeugt, entlang von Axon-Zellen abgeleitet und über Dendriten-Zellen an verbundenen Neuronen übertragen. Dort werden sie als Membranpotenzial summiert und führen beim Überschreiten eines Schwellwertes zu einem neuen Spike. Der CoDi Automat lässt sich zweidimensional oder in einem dreidi-mensionalen (3D) Zellraum betreiben.

024DaS waCHStuM Der neuronalen StruKturenDas Wachstum der neuronalen Strukturen im CoDi Automaten basiert auf einem, sich über den ganzen zellularen Raum erstre-ckenden Gen. Jede Zelle des Automaten enthält einen Teil der genetischen Informa-tion, auf deren Basis die neuronalen Struk-turen, ausgehend von den Zellen mit Neu-ronenkernen, wachsen. Die genetischen Informationen sind Anweisungen von der Form: verzweige nach oben, verzweige nach rechts oder wachse geradeaus etc. In Abbildung 1 ist der zelluläre Raum eines CoDi Automaten nach dem Abschluss der Wachstumsphase zu sehen.

Das Wachstum des CoDi Automaten ist voll-ständig deterministisch. Das hat den Vor-teil, dass man die neuronalen Strukturen mittels eines evolutionären Algorithmus optimieren kann. Allerdings weisen die so entstehenden Neuronen wenig Gemein-samkeit mit biologischen Neuronen auf. Abbildung 2 zeigt zum Vergleich Neuronen des Menschen beziehungsweise des Ma-kak-Affen. Sie entstammen der Neumorph.org Datenbank, in der die Morphologien von Neuronen verschiedener Spezies, kate-gorisiert nach Typen und Gehirnarealen, in denen sie vorkommen, zusammengetragen werden. Bei den Dendriten der dargestell-ten Pyramidenneuronen sind die Basalen (Grün) für die eher lokalen und die Apika-len (Magenta) für die weiter reichenden Verbindungen verantwortlich. Axon und Dendrit weisen baumartige Strukturen auf, die sich in ihrer Ausprägung je nach Typ des Neurons erheblich unterscheiden. Aber auch innerhalb eines Typs, wie bei den Pyramidenneuronen in Abbildung 2 zu sehen, weisen die Verzweigungsstrukturen bei Axon und Dendriten deutliche Unter-schiede auf.

ProbabiliStiSCHeS waCHStuMSMoDellSollen innerhalb des Zellularautomaten neuronale Strukturen wachsen, die den biologischen ähnlich sind, muss das Wachstumsmodell und die genetische Ko-dierung entsprechend verändert werden. Eine Zelle auf einem wachsenden Ast einer Struktur sollte davon Kenntnis haben, an welcher Stelle und in welcher Verschachte-lungstiefe sie sich befindet. In diesem Kon-text wird dann die genetische Information interpretiert.

Abbildung 2: Pyramidenneuron im Neocortex

aus der NeuroMorpho.org Datenbank [Asc 07].

Der Neuronenkern ist in Weiß, der Dendriten-

baum ist in Grün (basel) und in Magenta (apical)

und das Axon ist in Grau dargestellt. Links:

Mensch, NeuroMorpho.org ID: NMO_06204

[Vuk 02]. Rechts: Makak, NeuroMorpho.org ID:

NMO_01911 [Gon 04].

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

025

Bezogen auf das Wachstum eines Axons oder eines Dendriten im Zellularautomaten muss die Zelle an der Spitze eines Astes das Genom kontextabhängig in Verzwei-gungsanweisungen umsetzen. Im Gegen-satz zum verteilten Genom des traditio-nellen CoDi Automaten enthält diese Zelle ein Wachstumssignal mit dem gesamten Genom und dem Kontext innerhalb der zu erzeugenden in Struktur. Um den Speicher-bedarf dennoch gering zu halten, beseht das Genom aus wenigen Parametern, die das Wachstum steuern. Die Parameter entsprechen Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten einer Verzweigung oder dem Ende des Wachstums auf einem Ast. Es handelt sich also um ein probabilistisches, das heißt wahrscheinlichkeitsgesteuertes Wachstum. Ein Wachstumssignal für eine Zelle enthält, unabhängig von dessen Zell-typ (Neuronenkern, Axon oder Dendrit), ein Genom mit den gleichen Parametern:

» Den initiale Vorwärtsvektor f » Die Wahrscheinlichkeit b zu verzweigen » Den Offset o bis zur ersten Verzweigung des Hauptstranges

» Den minimalen Abstand m zwischen zwei Verzweigungen

» Die Wahrscheinlichkeit s das Wachstum zu beenden

» Die minimale Länge h des Hauptstranges » Die minimale Länge a eines Astes

Dabei werden Offsets und Abstände in Zel-len des Automaten gemessen. Zusätzlich zu den genetischen Parametern enthält das Wachstumssignal Informationen über den lokalen Status der Gesamtstruktur – den aktuellen Vorwärtsvektor, die Entfernung zum Neuronenkern, die Länge des aktuel-len Astes und die Entfernung zum letzten Verzweigungspunkt.

Der aktuelle Vorwärtsvektor gibt für den Neuronenkern die Richtung des Axons an. Der Vorwärtsvektor enthält die Wahrschein-lichkeiten, in jeweils eine der drei Raum-richtungen zu wachsen. Er gibt damit statis-tisch die Wachstumsrichtung der Axon- und Dendriten-Hauptstränge vor. Während des Wachstums wird er in den Ästen beim Verzweigen von Zelle zu Zelle modifiziert. Dabei wird der initiale Vorwärtsvektor überschrieben, sodass kein zusätzlicher Speicherplatz notwendig ist. Insgesamt enthält ein Genom sieben Parameter pro Zelltyp, wovon der Vorwärtsvektor mit drei Dimensionen vektoriell ist. Diese können insgesamt mit neun Byte realisiert werden. Für unterschiedliche Neuronentypen sind die genetischen Parameter jeweils so an-zupassen, dass die dafür charakteristische Morphologie erzeugt wird.

iMPleMentierung alS DünnbeSetZter unD ereigniSgeSteuerter ZellularautoMatDie neuronalen Strukturen belegen nur einen kleinen Teil des zur Verfügung ste-henden zellulären Raumes. Ein großer Teil der Zellen bleibt leer. Daher kann der CoDi Zellularautomat dünnbesetzt (engl. sparse) implementiert werden. Als praktische Um-setzung kann man die nicht leeren Zellen beispielsweise in verketteten Listen oder Hash-Tabellen speichern.

026Nur dort, wo sich ein Wachstumssignal oder ein elektrisches Signal befindet, müs-sen Zellinhalte aktualisiert werden. Diese Art der Implementierung wird von [YiB 96] als ereignisgesteuert beschrieben. Beim CoDi Automaten ist die Anzahl der Signale um etwa zwei Größenordnungen kleiner als die der Zellen, welche durch die neu-ronale Struktur belegt werden. Mit einer ereignisgesteuerten Implementierung lässt sich daher die Rechenzeit im gleichen Maß reduzieren.

ergebniSSeZwei probabilistisch in einem 3D CoDi Zellularautomaten gewachsene Neuronen mit unterschiedlichen Genomen zeigt die Abbildung 3. Dabei wurde nicht zwischen basalen und apikalen Dendriten unter-schieden. Der in Grün dargestellte Dendri-tenbaum und das in Magenta eingefärbte Axon entspringen auf gegenüberliegenden Seiten des Neuronenkerns.

Bei dem Neuron auf der rechten Seite (sie-he Abbildung 3) ist die Wahrscheinlichkeit, auf dem Dendriten zu verzweigen, höher und dessen Äste sind länger. Demenspre-chend dichter ist die gewachsene Struktur. Auf dem Axon auf der linken Seite hingegen beginnen die Verästelungen weiter vorne auf dem Hauptstrang und deren minimaler Abstand ist geringer als bei dem Neuron auf der rechten Seite.

DiSKuSSionDie herkömmliche genetische Kodierung über ein verteiltes Genom hat den Vorteil, dass sie deterministisch ist. Damit ist sie reproduzierbar und man kann sie über evolutionäre Algorithmen optimieren. Der hier vorgestellte Ansatz eines probabilis-tischen Wachstums liefert Morphologien, die biologischen Neuronen näherkommen.

literaturverZeiCHniS[Asc 07]: Ascoli GA, Donohue DE, Halavi

M. (2007) NeuroMorpho.org: A Central Re-

source for neuronal Morphologies. Journal

Neuroscience, 27(35):9247–51

[Cun 10]: Cuntz H, Forstner F, Borst A, Hä-

usser M. One Rule to Grow Them All: A Ge-

neral Theory of Neuronal Branching and Its

Practical Application, PLoS Computational

Biology, 2010

[Ger 97]: Gers FA, De Garis H. Codi-1bit: A

Simplified Cellular Automata Based Neuron

Model. In Artificial Evolution Conference

(AE), Nimes, France, 1997

[Gon 04]: González-Burgos G et al. Synaptic

efficacy during repetitive activation of exci-

tatory inputs in primate dorsolateral prefron-

tal cortex. Cereb Cortex, 14(5):530–42, 2004

[Hou 99]: Hough M, De Garis H, Korkin M,

Gers FA, Nawa NE. Spiker: Analog Waveform

to Digital Spiketrain Conversion in ATR's

Artificial Brain »cam-brain« Project. In Int.

Conf. on Robotics and Artificial Life, Beppu,

Japan, 1999

[Sch 04]: Schwarzer J. Lernverfahren für

evolutionär optimierte Künstliche Neuronale

Netze auf der Basis Zellulärer Automaten.

Logos Verlag Berlin, 2004

[Vuk 02]: Vukšić M et al. Perinatal growth

of prefrontal layer III pyramids in down syn-

drome. Pediatric Neurology, vol. 27, Issue 1,

p.36–38, 2002

[YiB 96]: Yi-Bing L, Fishwick PA. »Asynchro-

nous parallel discrete event simulation«

in Systems, Man and Cybernetics, Part A:

Systems and Humans, IEEE Transactions on,

vol. 26, no. 4, pp.397–412, Jul 1996

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

027

Nachteilig dabei ist, dass die Ergebnisse des Wachstums nur reproduzierbar sind, wenn man eine feste, deterministische Folge von Zufallszahlen mit in den Algorith-mus einbezieht.

Wünschenswert wäre, beide Ansätze so miteinander zu verbinden, dass die jewei-ligen Vorteile erhalten bleiben. Dies ist möglich, wenn man die im ersten Schritt probabilistisch gewachsenen Strukturen nach dem Wachstum auf einem determinis-tischen Genom festschreibt. Dieses kann einem evolutionären Algorithmus unterzo-gen werden. Das Wachstum eines Individu-ums der nächsten Generation verläuft dann zum Teil deterministisch in den Bereichen, in denen ein Genom vererbt wurde, und entsprechend des probabilistischen Ansat-zes an den Stellen, an denen durch evolu-tionäre Operationen (Mutation, Crossing-Over etc.) keine genetische Information mehr vorhanden ist. Die Evaluierung dieses kombinierten Ansatzes ist Ziel zukünftiger Forschung.

Á Abbildung 3: In einem CoDi Zellularautomaten gewachsene Neuronen mit f=(0.7,0.3,0) und sonst

unterschiedlichem Genom. Links: Axon (b=0.2, o=10, m=15, s=0.1, h=300, a=20), Dendrit (b=0.7,

o=1, m=10, s=0.1, h=80, a=30). Rechts: Axon (b=0.2, o=40, m=20, s=0.1, h=300, a=20), Dendrit

(b=0.8, o=1, m=10, s=0.1, h=100, a=40).

KontaKtProf. Dr. Felix GersBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich VI – Informatik und MedienLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 2529 » [email protected] » prof.beuth-hochschule.de/gers/projekte/codi

ZuSaMMenfaSSungDer Wachstumsprozess des CoDi Zellular-automaten lässt sich mittels eines genge-steuerten, probabilistischen Verfahrens so gestalten, dass realitätsnahe neuronale Strukturen entstehen. Durch die Kombina-tion der traditionellen genetischen Kodie-rung mit dem neuen Ansatz ist es möglich, die evolutionäre Optimierung der Struktu-ren beizubehalten. Die Implementierung von CoDi als dünnbesetzten und ereignis-gesteuerten Zellularautomaten ermöglicht eine erhebliche Reduzierung von Speicher-bedarf und Rechenkomplexität. «

028

Als Teil des BMBF-geförderten Projektes BACT (»BioAnilinCleanTec«) befasst sich die Arbeitsgruppe Bioprocess Engineering der Beuth Hochschule für Tech-nik Berlin mit der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und Mikroorganismen, welche potenziell in der Lage sind, diese Schadstoffe abzubauen. Im Rahmen des Verbundprojektes können die Untersuchungsergebnisse von den Projektpartnern dazu verwendet werden, die apparative Umsetzung der biologischen Sanierung von Altlastenstandorten zu optimieren.

The members of the BMBF funded research project BACT (»BioAnilinCleanTec«) are investigating innovative solutions for the biological degradation of hazar-dous compounds. The group of Bioprocess Engineering of the University of Applied Sciences Berlin is concerned with evaluating interactions between these compounds and potentially degrading microorganisms. Quantitative results will be used by the project partners to optimize large-scale remediation of contami-nated sites.

↗ Prof. Dr.-ing. Peter götZ ↗ M.SC. CHriStian wilKen ↗ M.SC. robert gentH ↗ M.SC. SebaStian HanS ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich V – life sciences and technology

Evaluation der Toxizität von Chlorbenzol- und Anilin-derivaten auf abbauende Mikroorganismen

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

029veranlaSSungSeit September 2014 kooperiert die Ar-beitsgruppe Bioprocess Engineering der Beuth Hochschule mit Partnern aus dem Raum Berlin-Brandenburg im Rahmen des Verbundprojektes BACT (»BioAnilinClean-Tec«), um gemeinsam den mikrobiologi-schen Abbau von Chlorbenzol- und Anilin-derivaten zu untersuchen und apparativ optimiert nutzbar zu machen. Gefördert wird dieses Projekt vom Bundesministe-rium für Bildung und Forschung (BMBF) durch den Projektträger Jülich (PtJ) mit Mit-teln aus dem Förderprogramm »WK Potenzi-al«. Die Kooperationspartner dabei sind die HORN und MÜLLER Ingenieurgesellschaft mbH, die ARGUS Umweltbiotechnologie GmbH und die HARBAUER GmbH.

Die Bundesrepublik Deutschland weist in vielen Regionen und Ballungsräumen eine Vielzahl traditionsreicher Industriestandor-te auf. Durch Unfälle mangels technischer Ausrüstung oder fehlenden Bewusstseins für Folgeschäden von unsachgemäßer Entsorgung chemischer Abfälle sind über die Jahrzehnte lokal große Mengen ver-schiedenster Chemikalien in Boden und Grundwasser gelangt. Diese Problematik in Verbindung mit den daraus resultierenden Gefahren für die Umwelt, aber auch für den Menschen im ruralen wie urbanen Raum wird mit dem Begriff Altlast umschrieben. Das Verbundprojekt BACT hat sich zum Ziel gesetzt, hier durch anwendungsorientierte Forschung innovative Lösungen für die Reinigung von belastetem Grundwasser zu erarbeiten und so einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten. Die Arbeits-gruppe Bioprocess Engineering befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen und Mikroorganismen, die in der Lage sind, solche Schadstoffe als Koh-lenstoff- und Energiequelle zu verwenden.

HintergrunDDie Anwendung biologischer Verfahren hat in Deutschland, vor allem im Bereich der kommunalen Abwasserbehandlung, eine lange Tradition. In den vergangenen Jahrzehnten gewann zudem die gezielte mi-krobielle Elimination von Schadstoffen an Bedeutung. Mittlerweile ist bekannt, dass die Fähigkeit zur Verstoffwechselung einer Vielzahl von Xenobiotika (Chemikalien anthropogenen Ursprungs), zum Beispiel polycyclische aromatische Kohlenwasser-stoffe (PAK) oder polychlorierte Biphenyle (PCB), in der Mikrofauna weit verbreitet ist. Bekannte Träger dieser nützlichen Eigen-schaften finden sich beispielsweise unter den Vertretern der Gattungen Bacillus und Pseudomonas [Jai 05].

Im Rahmen des BACT-Projektes wird der Abbau von aromatischen Chlorbenzol- und Anilinderivaten exemplarisch durch Bacil-lus atropheus, Bacillus mycoides und Bacil-lus licheniformis untersucht. Diese Stämme wurden aus kontaminiertem Grundwasser isoliert. Aromatische Verbindungen zeich-nen sich durch hohe chemische Stabilität aus, die häufig durch Chlorierung oder Substituierung mit anderen Nebengruppen noch gesteigert wird [Bug 98]. Ihre Hydro-phobizität birgt darüber hinaus Schadens-potenzial für die Membranen der Mikroor-ganismen.

030

Die in Frage kommenden Mikroorganis-men verfolgen beim Abbau der Schad-stoffe meist ähnliche Strategien. In der Regel wird durch enzymatische Oxidation zunächst die Ringstruktur geschwächt, wodurch Catecholderivate entstehen, die anschließend oxidativ gespalten werden. Der Ort der Spaltung entscheidet über den weiteren Abbau des Schadstoffes über den ortho- oder den meta-cleavage pathway, in dessen Verlauf Intermediate der zentralen Stoffwechselwege entstehen, zum Bei-spiel Pyruvat oder Succinat [Fuc 11]. Sub-stituenten wie Chloratome, Amino- oder OH-Gruppen werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Zielsubstanz entfernt und haben unter Umständen maßgeblichen Einfluss auf die Abbaubarkeit beziehungs-weise auf die Abbaugeschwindigkeit der aromatischen Verbindung. Der vollstän-dige Abbau in die einzelnen chemischen Bestandteile wird als Mineralisierung be-zeichnet.

Gleichwohl können die Schadstoffe, wel-che potenziell durch die Mikroorganismen abbaubar sind, aufgrund ihrer physikoche-mischen Eigenschaften in bestimmten Kon-zentrations-bereichen negativen Einfluss auf das Wachstum der Zellen haben. Durch Interaktionen mit der Cytoplasmamembran und den dort lokalisierten (Transport-) Proteinen können die Eigenschaften der Membran so beeinflusst werden, dass die Zelle Energie und Ressourcen für Repara-turmechanismen aufwenden muss, statt diese für Wachstum zu verwenden [Mur 14]. Zudem können aromatische Schadstoffe auch Enzyme essenzieller Stoffwechsel-wege inhibieren. Denkbar sind aber auch positive Effekte, beispielsweise durch eine schadstoffinduzierte Steigerung der Expres-sion kataboler Enzyme [Laz 10].

In diesem Artikel sollen Untersuchungen bezüglich des Einflusses der Schadstof-fe auf das Wachstum der betrachteten Mikroorganismen im Rahmen eines To-xizitätstests vorgestellt werden. Diese Informationen können für die Planung einer Grundwasserreinigungsanlage durch die Projektpartner wertvoll sein.

ergebniSSeMit Hilfe eines automatisierten liquid-handling Systems war es möglich, mit geringem Material- und Zeitaufwand eine große Anzahl von Einzelexperimenten durchzuführen. Die drei Bakterienstämme B. atropheus, B. mycoides und B. liche-niformis wurden jeweils in Reinkultur in Gegenwart von 1.000 mg/L Glucose drei bis sechs verschiedenen Konzentrationen (zwi-schen 0,5 und 500 mg/L) jeweils verschie-dener Schadstoffe ausgesetzt. Getestet wurden ein- und mehrfach chlorierte Anilin- und Chlorbenzolderivate sowie Nitrobenzol und methylierte Derivate der betrachteten Aromaten. Die jeweiligen Kombinationen Mikroorganismus / Schadstoff / Schad-stoffkonzentration wurden 16-fach in Mikro-titerplatten (384 Reaktionsräume zu je 80 µL) angesetzt und für mehrere Tage bei Raumtemperatur aerob inkubiert. Zweimal täglich wurde die optische Dichte (OD) bei 600 nm erfasst. Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluss der einzelnen Schad-stoffe auf das Wachstum der drei Bakteri-enstämme zu evaluieren. Maßgeblich da-bei waren die Veränderung der Zellmasse (näherungsweise repräsentiert durch die OD) sowie die Wachstumsrate.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

031

Grundsätzlich war zu beobachten, dass B. atropheus und B. licheniformis nach klar erkennbarem Wachstum die stationäre Wachstumsphase in nahezu allen Versuchs-ansätzen nach etwa 30 Stunden erreichten. B. mycoides ist in allen Fällen deutlich langsamer gewachsen und erreichte mit stetigem Zuwachs die stationäre Phase erst nach etwa 48 Stunden Inkubationsdauer. Letzterer Stamm erfuhr im Vergleich durch-schnittlich die größten negativen Einflüsse durch die Schadstoffe. B. atropheus wies diesbezüglich keine eindeutigen Tenden-

zen auf. B. licheniformis hingegen wurde nur in Ausnahmefällen beeinflusst.

Bei der Betrachtung der Höhe der Konzen-trationen einzelner Schadstoffe wurden im Allgemeinen drei wesentliche Varianten von Wachstumsverhalten (im Vergleich zur Kultivierung ohne Schadstoff) vorgefunden: sinkendes Wachstum beziehungsweise sinkende Wachstumsgeschwindigkeit mit zunehmender Konzentration, unbeeinfluss-tes Wachstum und optimale Wachstums-bereiche. Sinkende Wachstumsleistungen

Á Abbildung 1: Zeitliche Entwicklung der opti-

schen Dichte von B. atropheus, B. mycoides und

B. licheniformis und mit 1.000 mg/L Glucose

und ohne Zugabe von Schadstoff. Kultivierung

bei Raumtemperatur in Mikrotiterplatten (384er

Format; 80 µL Reaktionsvolumen).

Á Abbildung 2: Zeitliche Entwicklung der opti-

schen Dichte (OD, 600 nm) von Kultivierungen

mit B. licheniformis zu verschiedenen Konzent-

rationen von 3,4-Dichloranilin (34DCA). Kultivie-

rung mit 1.000 mg/L Glucose bei Raumtempe-

ratur in Mikrotiterplatten (384er Format; 80 µL

Reaktionsvolumen).

032bei steigender Schadstoffkonzentration stellten den Regelfall dar. Bei der Kultivie-rung von B. atropheus mit methylierten Aromaten (2- und 4-Methyanilin sowie 2,4-Dimethylanilin) wurde beobachtet, dass bei geringen Schadstoffkonzentra-tionen (< 10 mg/L) zunächst gesteigertes Wachstum beziehungsweise Wachstumsge-schwindigkeit auftritt. Erst Konzentrationen > 20 mg/L führten zu verringerter Wachs-tumsleistung.

Einen interessanten Sonderfall stellt die Kultivierung von B. licheniformis mit 3,4-Di-chloranilin (34DCA) dar. Konzentrationen von < 10 mg/L haben praktisch keinen Einfluss auf das Wachstum. Mit steigender Konzentration (10 und 50 mg/L) konnte die Ausbeute an Biomasse zunächst gesteigert werden. Bei einer Schadstoffkonzentration von 100 mg/L nahmen schließlich sowohl Wachstumsrate als auch maximale Ausbeu-te deutlich ab.

Bei der Interpretation der vorgefundenen Effekte gibt es unterschiedliche Ansätze. Jedoch sind weitergehende Untersuchun-gen notwendig, um die Annahmen zu stüt-zen. Davon ausgehend, dass hydrophobe Moleküle (die betrachteten Schadstoffe ha-ben log Kow-Werte zwischen 1,5 und 4) die Fluidität der Zellmembran und damit deren Durchlässigkeit erhöhen, kann vermutet werden, dass bei einem Mangel an effizi-enten Reparaturmechanismen auch schon die Anwesenheit geringer Mengen des Schadstoffes einen negativen Einfluss auf das Wachstum ausüben kann. Bei höheren Konzentrationen kommt es dann darauf an, inwieweit die Organismen das gesteigerte Angebot an Kohlenstoff für den Aufbau von Zellmasse nutzen können. Ungeachtet des möglichen Schadens an der Zellmembran besteht auch die Möglichkeit, dass einzel-ne Schadstoffe inhibierend auf zentrale Stoffwechselenzyme wirken und somit zumindest die Wachstumsgeschwindigkeit der Mikroorganismen verringern. Möglich wäre auch die repressive oder gar induzie-rende Einflussnahme auf die Genregulation für die entsprechenden Abbauwege. Zeigt sich bei einer Kultivierung zahlenmäßig kein eindeutiger Einfluss der Schadstoffe, wie zum Teil bei B. licheniformis, wäre eine Mischform aus positiven (mehr verfügbarer Kohlenstoff) und negativen (zum Beispiel Beschädigung von Membranen) Effekten denkbar.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

033

KontaKtProf. Dr.-Ing. Peter GötzBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich V – Life Science and TechnologySeestraße 64, 13347 Berlin

» (030) 4504 – 3924 » [email protected]

Gefördert vom

In KooperatIon mIt

literaturverZeiCHniS[Bug 98]: Bugg, T. D. H.; Winfield, C. J.: Enzyma-

tic cleavage of aromatic rings: mechanistic as-

pects of the catechol dioxygenases and later en-

zymes of bacterial oxidative cleavage pathways.

In: Nat Prod Rep (1998): 513–530

[Fuc 11]: Fuchs, G.; Boll, M.; Heider, J.: Microbial

degradation of aromatic compounds – from one

strategy to four. In: Nat Rev Microbiol (2011) 9:

803–816

[Jai 05]: Jain, R. K.; Kapur, M.; Labana, S.; Lal, B.;

Sarma, P. M.; Bhattacharya, D.; Thakur, I. S.: Mi-

crobial diversity: Application of microorganisms

for the biodegradation of xenobiotics. In: Curr

Sci (2005) 89(1): 101–112

[Laz 10]: Lăzăroaie, M. M.: Multiple responses

of gram-positive and gram-negative bacteria to

mixture of hydrocarbons. In: Braz J Microbiol

(2010) 41(3): 649–667

[Mur 14]: Murínová, S.; Dercová, K.: Response

mechanisms of bacterial degraders to environ-

mental contaminants on the level of cell walls

and cytoplasmic membrane. In: Int J Microbiol

(2014) 2014: 1–16

ZuSaMMenfaSSungDie Evaluierung der Einflüsse von ver-schiedenen aromatischen, unterschiedlich substituierten Kohlenwasserstoffen auf das Wachstumsverhalten von B. atropheus, B. mycoides und B. licheniformis hat erge-ben, dass in der Regel sowohl der maximal mögliche Biomassezuwachs als auch die Wachstumsgeschwindigkeit mit steigender Schadstoffkonzentration verringert werden (um bis zu 50 Prozent). In Sonderfällen konnte bei geringen Konzentrationen eine

Förderung des Wachstums beobachtet werden. Kausale Zusammenhänge für die Ursachen der Beobachtungen sollen nun durch Experimente in größerem Maßstab in Verbindung mit der Erfassung der Schad-stoffkonzentrationen im zeitlichen Verlauf der Kultivierung hergestellt werden. Dieses Wissen soll die Projektpartner bei der ap-parativen Umsetzung der Elimination der Schadstoffe aus belasteten Standorten durch die untersuchten Mikroorganismen unterstützen. «

Förderkennzeichen 03WKP35A

034

Ziel der Kooperation der Beuth Hochschule mit der BSH Hausgeräte GmbH, der HTW Berlin sowie der TU Berlin ist es, den Waschprozess zu optimieren. Hierbei wurden Finite-Elemente-Modelle der bewegten Wäsche in der rotierenden Trom-mel berechnet, die insbesondere bei der Modellierung von Fluid-Struktur-Inter-aktionen auf Schwierigkeiten stoßen, wenn alle am Waschprozess beteiligten physikalischen und chemischen Prozesse in Betracht genommen werden sollen. Netzfreie Methoden wie die Smoothed Particle Hydromechanics (SPH) liefern für den Anwendungsfall vielversprechende erste Ergebnisse, die zukünftig auch auf andere Anwendungsgebiete übertragen werden können.

The aim of the cooperation of the Beuth University of Applied Sciences with BSH Hausgeräte GmbH, the HTW Berlin and the Technische Universität Berlin is to optimize the washing process. Therefore finite element models of the moving laundry in the rotating drum have been created, which face particular difficulties in modeling fluid-structure-interactions, when all physical and chemical proces-ses are taken into consideration. Meshless methods such as Smoothed Particle Hydromechanics (SPH) provide, for the application taken into account, promi-sing results which can be transferred in the future to other fields of application.

↗ Prof. Dr.-ing. JoaCHiM villwoCK ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich Viii – maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik ↗ M.eng CHriStian oertel ∧ Beuth hochschule für technik Berlin / technische universität Berlin ↗ b.eng Sabine PrZybilla ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ↗ b.eng Pierre SabrowSKi ∧ technische universität Berlin

Smoothed Particle Hydro-dynamics – Netzfreie Simulationen mehrpha-siger Herausforderungen

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

035einleitungSeit 2011 besteht eine Kooperation der Beuth Hochschule, der BSH Hausgeräte GmbH, der HTW Berlin und der TU Berlin unter dem Titel »Simulation Wäschepfle-ge«. Ziel der Arbeiten der Kooperation ist unter anderem die Simulation des Wäsche-falls in der rotierenden Trommel. Hierzu wurden in der Vergangenheit Finite-Elemen-te-Modelle aufgesetzt, die, ausgestattet mit den Materialeigenschaften des feuchten Textils, den Wäschefall ohne Berücksichti-gung des in der Trommel befindlichen Was-sers beschreiben (siehe Abbildung 1).

Die Ergebnisse wurden in einer koope-rativen Promotion zusammengefasst [1]. Der Schwerpunkt von [1] liegt in der strukturmechanischen Simulation des Waschprozesses. Die Verifikation des Si-mulationsmodells erfolgt nach genormten beziehungsweise eigens entwickelten und patentierten Analysemethoden. Zur Auswertung der Waschsimulation werden Energiegrößen erfasst. Für den Vergleich der Untersuchungen werden in der realen Messung spezielle Testgewebe zur Erfas-sung der Waschmechanik verwendet. Das Simulationsmodell spiegelt die Beanspru-chungsergebnisse aus der realen Messung wider und ermöglicht die Berechnung wichtiger strukturmechanischer Größen im Waschprozess.

Á Abbildung 1: Simulation des Wäschefalls mit 10 Normhandtüchern aus [1]

036Auch wenn sich in einer modernen Wasch-maschine nur noch wenig Wasser befindet, ist die Interaktion Textil/Wasser für das Waschergebnis weiterhin von großer Be-deutung. Die Kopplung des Finite-Elemen-te-Modells mit klassischen CFD-Methoden ist hinsichtlich der Rechenzeit extrem auf-wendig und stellt somit für den Einsatz im Kooperationsprojekt derzeit keine Option dar. Erste Ansätze mit den kommerziellen FE-Paketen LSDYNA und ABAQUS zielen daher auf die Verwendung netzfreier Me-thoden zur Modellierung des Wassers, die auch die Modellierung der Durchfeuchtung des Textils zum Ziel haben. Der Nachteil dieser Programmpakete ist eine kostenin-tensive Lizensierung und der beschränkte Zugriff auf die Modelleigenschaften auf der Ebene der Partikel.

Aus diesem Grunde konzentrieren sich die aktuellen Aktivitäten darauf, die Simulation der Fluid-Struktur und der Reaktionskinetik der Tenside komplett auf die SPH-Methode zu verlagern. Es zeigt sich, dass diese Methode auch das Potenzial für andere An-wendungsgebiete (zum Beispiel Sedimen-tierung von Abwasserströmungen) besitzt.

SMootHeD PartiCle HyD-roDynaMiCS – aKtuelle anwenDungen iM ProJeKtEin aktuelles Einsatzgebiet der SPH ist die Simulation des Strömungsverhaltens in der Einspülschale einer Waschmaschine (siehe Abbildung 2, links).

Zur Simulation des Wassers und des Waschmittels wird die Open-Source-Soft-ware DualSPHysics benutzt [2], welche in der Lage ist, Mehrphasenströmungen zu berechnen. Die Untersuchung der Tensider-verteilung, also der Simulation mehrphasi-ger Strömungen von Wasser und Tensid, ist in Abbildung 2 (rechts) dargestellt.

Á Abbildung 2: Simulation einer Einspülschale (links: Fluid 3D, rechts: Wasser und Waschmittel)

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

037

Die Modelle werden experimentell in den Laboren der Kooperationspartner BSH Hausgeräte GmbH und der HTW Berlin va-lidiert, um verlässliche Ausgangsmodelle für zukünftige Parametervariationen zu besitzen.

In Abbildung 2 wird auch ersichtlich, dass im Rahmen der Arbeiten zum Teil geome-trisch komplexe Geometrien zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zu herkömmlicher CFD-Software (zum Beispiel Finite-Volu-men-Methode) wird hier direkt die CAD-Geometrie herangezogen (zum Beispiel STL-Dateien), eine aufwendige Vernetzung des Volumens ist nicht nötig. Auf diese Weise wird der Aufwand zur Erstellung des Modells erheblich reduziert.

Eine realistische Textil/Wasser-Modellie-rung ist nur möglich, sofern auch die de-formierbaren Festkörper, also die Textilien, mit Hilfe der SPH modelliert werden kön-nen. In diesem Fall wird die Beschreibung des in der Impulsgleichung auftretenden Spannungstensors mit den Grundgleichun-gen der Elastizitätstheorie vollzogen, die prinzipielle Diskretisierung bleibt unver-ändert. In Abbildung 3 ist die Spannungs-konzentration einer gelochten Scheibe dargestellt, die als Verifikationsmodell für den Festkörper des im Projekt entwickelten SPH-Codes dient. Die Materialparameter für die Textilien werden mittels Zug-, Biege- und Scherversuchen ermittelt.

Á Abbildung 3: SPH-Simulation einer Scheibe

mit Loch unter Zug (dargestellt ist Spannung σxx )

038Soll das Textil neben der mechanischen Interaktion mit dem Fluid auch noch des-sen Feuchtigkeit aufnehmen, muss eine zusätzliche Gleichung gelöst werden. Mit Hilfe des Gesetzes von Darcy und der Kapillar-wirkung lässt sich die Ausbrei-tung des Fluids im Textil berech-nen. Die dafür nötige Permeabi-lität und Kapillarwirkung der Tex-tilien wird experimentell im Labor bestimmt.

SMootHeD PartiCle HyDro-DynaMiCS – grunDlagenDer gegenseitige Einfluss der SPH-Partikel leitet sich aus den zugrundeliegenden physikalischen Gleichungen und den Ab-ständen der Partikel ab. Die Gewichtung des Einflusses wird hierbei durch die soge-nannte smoothing length ℎ beschrieben. Die für die Gewichtung erzeugte Funktion, die Kernfunktion, nimmt dabei häufig die Form einer Glocke an und kann so idealer-weise durch eine Gaußkurve beschrieben werden [3]:

Basierend auf den Eigenschaften der Dirac-Distribution soll sie diese approximieren und es folgt für ein diskretes Problem an der Position eines beliebigen Partikels 𝑎 die grundlegende Formulierung [3]:

Mit ihrer Hilfe können nun die zugrundelie-genden Gleichungen diskretisiert werden. Der Index 𝑏 steht hierbei für alle im Raum befindlichen Partikel. Für das Beispiel der Massenbilanz folgt so für ein Partikel 𝑎 im Eindimensionalen [4]:

Nun kann die zeitliche Änderung der Dichte jedes beliebigen Partikels a mit Hilfe seiner Geschwindigkeit , der jeweiligen Masse der Partikel und des Gradienten der Kernfunktion berechnet werden. Da sich das Partikel in Bewegung befindet, wird die materielle Ableitung des bewegten Punktes gesucht.

Analog lassen sich so auch die Impuls- und die Energiegleichung in die gewünschte Form bringen. Die Impulsgleichung gibt bspw. weiteren Aufschluss über die Be-schleunigung jedes Partikels, wodurch die Bewegung des Kontinuums modelliert werden kann.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

039

SMootHeD PartiCle HyD-roDynaMiCS – ZuKünftige anwenDungen iM ProJeKtIm Rahmen des Kooperationsprojektes soll die Vielseitigkeit der Methode ausgenutzt werden. Mit dem Ziel, den Waschprozess zu simulieren, sind die verschiedenen Teilgebiete, die zukünftig in der Simulation aufgegriffen werden, in Abbildung 4 aufge-führt.

In Anwendungsbeispielen wurde gezeigt, dass es möglich ist, sowohl die Strukturme-chanik als auch das Verhalten von Fluiden mit Hilfe der SPH zu simulieren. Um alle wichtigen Phänomene des Waschprozesses zu erfassen, müssen in Zukunft zusätzlich die Reinigungseffekte, die auf der Wasch-mittelwirkung beruhen, berücksichtigt wer-den. Hierbei können zunächst die wichtigen Schritte folgendermaßen unterteilt werden:

Á Abbildung 4: Teilfunktionen zur

Simulation des Waschprozesses

040literaturverZeiCHniS[1]: Morgenthal, »Strukturmechanische Si-

mulation des Waschprozesses im Rahmen

einer transdisziplinären hochschulübergrei-

fenden Industriekooperation«, Dissertation

TU Berlin, 2015.

[2]: Dominguez, »DualSPHysics: Towards

High Performance Computing using SPH

technique«, 2014.

[3]: Monaghan und Ginghold, »Shock Simu-

lation by the Particle Method SPH«, J.

Comput. Phys., 1983.

[4]: Monaghan, »Smoothed Particle Hyd-

rodynamics«, Anu. Rev. Astron Astrophys.,

1992.

1. Konvektiver Transport2. Diffusiver Transport (Grenzfilm- und Po-

rendiffusion)3. Adsorption 4. Veränderung der Schmutzhaftung durch

a. Tensideb. Chemische Reaktionc. Enzymatische Aktivität

5. Desorption6. Diffusiver Abtransport 7. Konvektiver Abtransport

Zur Betrachtung des Verhaltens einzelner Waschmittelkomponenten muss der zu lösende Gleichungssatz erweitert werden. Die zusätzlichen Gleichungen sind auf die Einzelstoffmassen beziehungsweise auf die Konzentrationen bezogen

und müssen um die Diffusion durch die la-minare Grenzschicht und die Porendiffusi-on sowie die Adsorption erweitert werden. Diese Effekte hängen voneinander ab und können in folgendem System von Differen-zialgleichungen beschrieben werden:

1

Hierbei beschreibt die zweite Gleichung sowohl die Adsorption als auch die De-sorption, die gleichzeitig stattfinden. Zur Beschreibung der Adsorption mit SPH ist zusätzlich eine geeignete Formulierung zur Beschreibung der Feststoff- beziehungswei-se Oberflächenkonzentration notwendig, da SPH eine volumenbasierte Methode ist. Auch für die Ablösereaktion ist je nach Me-chanismus ein entsprechender kinetischer Ansatz zu formulieren.

Mit Hilfe noch zu definierender Versuche lassen sich die einzelnen Prozesse anpas-sen und die entsprechenden Differenzial-gleichungen in die Simulation implemen-tieren.

1 – Porosität; – Konzentration im Fluid; – Konzentration im Feststoff;

– Diffusionskoeffizient als Funktion der Konzentration

– Geschwindigkeitskonstante für die Adsorption – Geschwindigkeitskonstante für die

Schmutzablösung – Gleichgewichtskonstante der Adsorption

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

041

KontaKtProf. Dr.-Ing. Joachim VillwockBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich VIII – Maschinenbau, Ver-anstaltungstechnik, VerfahrenstechnikLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 5101 » [email protected] » labor.beuth-hochschule.de/cip

Gefördert vom

In KooperatIon mIt

Der große Vorteil der Simulation der Prozes-se besteht darin, dass Geometrie und Pro-zessparameter einfach verändert werden können, ohne aufwendige Versuchsaufbau-ten und -reihen zu benötigen. So können wertvolle Ressourcen eingespart und auch zukünftig die eingesetzten Waschmittel-mengen reduziert werden.

SPH – ZuKünftige anwenDungen in Der StaDt Der ZuKunftDie Ergebnisse der SPH-Methode sind vielversprechend. Es zeigt sich, dass die Methode geeignet ist, multiphasige Trans-portprozesse effizient abzubilden. Dadurch eröffnen sich neben der Simulation des Waschprozesses weitere Anwendungsge-biete.

So ist zum Beispiel die Simulation der Se-dimentierung von Abwasserströmungen ein Problem, das in der Vergangenheit zu vie-len Pumpenausfällen geführt hat, da Fest-

stoffe schwallartig in die Abwasserpumpen transportiert werden und diese dadurch verstopfen.2 Durch die Simulation der mehrphasigen Strömung ließe sich frühzei-tig konstruktiv und verfahrenstechnisch in den Betrieb der Anlage eingreifen.

2 So waren im Jahr 2014 allein in Berlin-Wilmersdorf 200 Pumpenausfälle zu beklagen, die aufwendige Wartungs-und Reparaturarbeiten nach sich zogen.

«

Á Abbildung 5: Schmutzablösung

042

Biogas ist eine der stark wachsenden regenerativen Energie-Technologien. Die Biogasgewinnung erfolgt durch das Zusammenspiel unterschiedlicher Substrat-spaltender Bakterien und methanogener Archaeen. Im Projekt »BiogasMarker« wurden mittels PCR-Technologie Marker entwickelt, die ein Monitoring prozess-relevanter Mikroorganismen erlauben. Im Teilprojekt der AG Prowe wurden für einige von uns definierte relevante pathogene Spezies quantitative PCR-Verfah-ren etabliert, die es ermöglichen können, zukünftig den gesamten Wertschöp-fungsprozess der Biogasgewinnung auf potentiell gesundheitsgefährdende Mikroorganismen hin zu untersuchen.

Biogas is a fast growing field of renewable energy technologies. The biogas production is a close interaction of various substrate cleaving bacteria and methanogenic archaea. Within the project »BiogasMarker« by using the PCR technology marker have been developed, which will allow a monitoring of process relevant microorganisms defined by us. Within the sub-project of the team Prowe, for some relevant pathogenic species quantitative PCR assays were established, that will allow the examination of the whole process value chain with regard to potentially harmfull microorganisms.

↗ Prof. Dr. Steffen Prowe ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich V – life sciences and technology ↗ M.SC. SuSanne Helbig ∧ Biotecon Diagnostics gmBh ↗ M.SC. SuSanne fiSCHer ∧ Beuth hochschule für technik Berlin

Etablierung von moleku-laren Nachweissystemen auf Basis der quantitativen (real-time) PCR

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

043

einleitungDie Produktion von Biogas für die Erzeu-gung von Energie aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnt vor allem vor dem Hintergrund der deutschen Energiewende zunehmend an Bedeutung. Zum Betrieb der Anlagen existieren viele Normen auf nicht-biologischer Ebene (zum Beispiel Säure-gehalte, Druck), messbare und in Normen hinterlegte biologische (Steuer)Parameter sind bisher nicht vorhanden. Ziel des Ver-bundprojektes »BiogasMarker« war es, sol-che mikrobiologischen Parameter mittels der PCR-Technologie verfügbar zu machen und gegebenenfalls daraus Leitparameter für die Steuerung oder zur Detektion von Havarien der Anlagen abzuleiten.

Zu den im Biogas relevanten stets anae-roben Mikroorganismen zählen sowohl hydro lytische, acidogene, acetogene Bak-terien als auch methanogene Archaeen. Mit der Verbreitung von Biogasanlagen besteht nicht nur Unsicherheit über die mögliche Anreicherung von pathogenen Mikroorga-nismen im Biotop der Biogasreaktoren, die nicht nur eine Gefährdung des Betriebs-personals bedeuten würde, sondern auch bezüglich der Verbreitung pathogener Orga-nismen, vor allem wenn die Gärrückstände landwirtschaftlich verwertet werden sollen. Deshalb ist es notwendig, Biogasanlagen

nicht nur hinsichtlich der Anreicherung von Pathogenen zu überwachen, sondern auch das Verständnis bezüglich des Verhaltens beziehungsweise der Anreicherung von pathogenen Bakterien zu verbessern. Die-ses war Ziel des Teilprojektes an der Beuth Hochschule in der AG Prowe. Eine wesentli-che Voraussetzung, um diese Aussage tref-fen zu können, ist der selektive Nachweis pathogener Indikator-Bakterien als Reprä-sentanten weiterer pathogener Organis-men. Endosporen-bildende Clostridia sind abundant in Biogasreaktoren vertreten; der Gattung wird neben den die Biogasmatrix hydrolytisch abbauenden Spezies eine Vielzahl pathogener Spezies zugeordnet. Mit der im Gesamtprojekt »BiogasMarker« verwendeten Biogasmatrix Grassilage kön-nen auch pflanzenpathogene Spezies wie Xanthomonas eingebracht werden. Zudem konnte auf Basis der Analyse auf Abundanz pathogener Spezies die Gattung Listeria definiert werden. Daher wurde jeweils ein PCR-basierter Assay zum Nachweis von relevanten Vertretern der Gattungen entwi-ckelt, so dass der vergleichsweise schnelle, aber dennoch zuverlässige qualitative und quantitative Nachweis dieser Mikroorganis-men aus der Biogasmatrix heraus ermög-licht wird. Damit werden bereits etablierte Nachweise für zum Beispiel Clostridium botulinum ergänzt [Frö 15].

044

biogaSAus Biomasse erzeugte End- beziehungs-weise Nutzenergie, kurz Bioenergie, ist die gegenwärtig bedeutendste Form Erneuer-barer Energien in Deutschland (vgl. BMW 16). Biogas spielt hierbei eine große Rolle.

Darunter versteht sich ein Gasgemisch aus den Hauptbestandteilen Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2), das überall dort entsteht, wo organisches Substrat in feuchter Umgebung und unter Sauerstoff-

Biogas-AnlageFür die Biogasproduktion eignen sich Gülle und feste Biomasse. Mit einem Rind von 500 kg Gewicht kann pro Tag zum Beispiel eine Gasausbeute von max. 1,5 Kubikmeter erzielt werden. Energetisch entspricht dies in etwa einem Liter Heizöl. Nachwachsende Rohstoffe liefern jährlich zwischen 6000 Kubikmeter (Wiesengras) und 12000 Kubikmeter (Silomais/Futterrüben) Biogas pro Hektar Anbaufläche.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

045

abschluss mikrobiell zersetzt wird [FNR 15]. Die Hauptschritte sind schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Darin sind auch die Orte, an denen mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten Pathogene auftreten

können, über das »Biohazard«-Zeichen markiert. Diese Orte waren im Projekt auch Entnahmestellen für Proben, um mittels der etablierten Tests diese spezifischen Mikro-organismen nachzuweisen.

Á Abbildung 1: Schema einer Biogasanlage, modifiziert um das wahrscheinliche Auftreten pathoge-

ner Mikroorganismen (Aus Agentur Erneuerbare Energien)

046

Die angewanDte PCr-teCHnologieGrundlage der angewandten PCR-Tech-nologie ist der Nachweis von gesuchten Mikroorganismen spezifischer DNA. Diese wird im Labor aus den jeweiligen Mikro-organismen beziehungsweise aus realen Biogasprozessproben extrahiert. Dieser Prozess wurde innerhalb des Verbundpro-jektes in einem Interlabor-Assay bezüglich der Extraktion und Quantifikation vergli-chen [Leb 16] und als nahezu einheitlicher Standard etabliert. Um das Testsystem spezifisch und selektiv genug für den Ziel-

Mikroorganismus zu entwickeln, muss eine für diesen eindeutige Genregion über bio-informatische Wege definiert werden. Über zu dieser Region komplementäre Primer-Sondensysteme kann dann der Nachweis erfolgen, indem dieser DNA-Bereich alleinig vervielfältigt wird. Um diese vorhandenen Gen-Kopien quantifizieren zu können, wur-den Plasmid-Standards für die gesuchten Gene kloniert. Somit kann je nach Menge der vorhandenen DNA im Vergleich zu ei-nem bekannten Standard die Menge der pathogenen Mikroorganismen bestimmt werden (siehe Abbildung 2).

Á Abbildung 2: Durchführung der quantitativen real-time PCR mit einer Plasmid-Standardreihe (109

Kopien bis 102 Kopien, Rot) und einer Negativkontrolle (Grün) in Dreifachbestimmung am LightCy-

cler480: Dargestellt sind die Amplifikationskurven sowie die daraus ermittelte Standardgerade mit

einer Effizienz von 1,895.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

047

etablierung, oPtiMie-rung unD Quantifi-Zierung Der aSSaySZur Etablierung der Assays wurden aus den Mikroorganismen Xanthomonas translu-cens (vgl. Bachelorarbeit Katrin Kelemen, 2014) sowohl für Clostridium sordellii und Clostridium difficile (vgl. Masterarbeit Peter Rink, 2013) als auch für Listeria monocy-togenes (vgl. Masterarbeit Nina Sperling, 2015) die DNA extrahiert und selektive Primer-Sondensysteme konstruiert. Für Xanthomonas campestris mittels eines angepassten, bereits etablierten Systems [Mae 96], die anderen Systeme wurden neu etabliert. Hierbei wurden chromosomale Toxin-kodierende Genregionen durch Ab-gleich mit Gendatenbanken wie NCBI unter Nutzung der Software Geneious® ausge-wählt. Dieses Alignment wurde anhand nah verwandter Spezies sowohl bioinformatisch überprüft (siehe Abbildung 3, am Beispiel Xanthomonas) als auch experimentell nachgewiesen.

Für die beiden pathogenen Clostridium-Spezies konnte ein Multiplex-System eta-bliert werden [Rin 14]. Dazu wurde für jede Spezies neben einer spezifischen Primer-Kombination eine mit einem Fluorochrom versehene spezifische Sonde eingesetzt, die nach Anregung im FAM- beziehungswei-se im HEX-Kanal des LightCycler eine Diffe-renzierung und Quantifizierung der beiden Spezies ermöglichte (siehe Abbildung 4).

Zum Projektabschluss erfolgte die Qualifi-zierung aller etablierten Assays, indem der LOD (Limit of Detection) und der LOQ (Limit of Quantification) bestimmt wurde. Außer-dem wurden die Assays an Probenmaterial sowohl aus Praxisanlagen als auch aus den Versuchsanlagen des Projektpartners ATB getestet. Somit besteht die Möglichkeit, einzelne relevante pathogene Mikroor-ganismen mittels einer PCR-basierten Schnellmethode innerhalb der gesamten Prozesskette der Biogasgewinnung nach-zuweisen. Gemeinsam mit den Assays der

Á Abbildung 3: Alignment des angepassten Primer-Sondensystems nach Maes et al. (1996) mittels

nah verwandter Spezies

048

Á Abbildung 4: Der entwickelte real-time PCR-Assay ermöglicht den gleichzeitigen Nachweis von

C. difficile im FAM-Kanal und C. sordellii im HEX-Kanal.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

049

Gefördert vom

literaturverZeiCHniS[BMW 16]: BMWi: http://www.bmwi.de/DE/

Themen/Energie/Erneuerbare-Energien/erneu-

erbare-energien-auf-einen-blick,did=20918.html

[FNR 15]: FNR Biogas: http://biogas.fnr.de

[Frö 15]: Fröschle, B., Messelhäusser, U., Höller,

C., & Lebuhn, M. (2015). Fate of Clostridium bo-

tulinum and incidence of pathogenic clostridia

in biogas processes. Journal of Applied Micro-

biology, 119 (4), 936–947.

[Leb 16]: Lebuhn, M., Derenkó, J., Rademacher,

A., Helbig, S., Munk, B., Pechtl, A., Stolze, Y.,

Prowe, S., Schwarz, W., Schlüter, A., Liebl, W., &

Klocke, M. (2016). DNA and RNA Extraction and

Quantitative Real-Time PCR-Based Assays for

Biogas Biocenoses in an Interlaboratory Compa-

rison. Bioengineering, 3 (1), 7.

[Mae 16]: Maes, M., Garbeva, P., & Kamoen, O.

(1996). Recognition and Detection in Seed of

the Xanthomonas Pathogens That Cause Cereal

Leaf Streak Using rDNA Spacer Sequences and

Polymerase Chain Reaction. Phytopathology

86(1): 63.

NCBI-Datenbank, öffentlich zugänglich unter

www.ncbi.nlm.nih.gov

[Rin 14]: Rinck, P., Susanne Wickert, S., Prowe, S.

(2014). Development of a rapid detection system

for Clostridium sordellii and Clostridium difficile

in biogas reactors based on quantitative real-

time PCR. VAAM-Tagung Dresden, Poster FTP12.

KontaKtProf. Dr. Steffen ProweBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich V – Life Sciences and TechnologySeestraße 64, 13347 Berlin

» (030) 4504 – 3903 » [email protected] » prof.beuth-hochschule.de/prowe

Partner bezüglich weiterer pathogener Kei-me (LfL), sowohl methanogener (ATB, LFL, CeBiTec) als auch hydro plytischer (TUM) Mikroorganismen, wurde eine Möglichkeit aufgezeigt, prozessrelevante Mikroorganis-men nachweisen zu können.

Das Verbundprojekt »BiogasMarker« mit dem Koordinator ATB Potsdam-Bornim

und den Partnern LfL Freising, Technische Universität München und CeBiTec Biele-feld wurde gefördert durch das BMBF über den Projektträger PtJ (Förderkennzeichen 03SF0440D), im Verbund des BiogasNetz-werkes. Der Dank gilt auch den Bachelor- und Master-Studierenden, die durch ihre Arbeiten das Projekt wesentlich unterstützt haben. «

Die Verantwortung für den Inhalt der Publikation liegt beim Autor.

050

Geschlossene Rohrsysteme in industriellen Anlagen stellen besondere Anforde-rungen an deren Reinigungsprozesse. Hierbei bereiten insbesondere Biofilme aufgrund ihrer hohen Resistenz gegenüber Desinfektionsmitteln Probleme. Die Detektion sowie Desinfektion von Biofilmen soll durch eine in diesem Projekt zu entwickelnde Sonde sicher gewährleistet werden, indem diese Biofilme direkt im Rohrsystem durch UV-Strahlung (185 nm) zerstört und deren Oxidationsprodukte über eine Leitfähigkeitsmessung bestimmt werden.

Closed piping systems in industrial facilities impose high requirements on the applied cleaning procedures. Especially, biofilms cause severe problems due to their high resistance against disinfecting agents. The detection as well as the disinfection of biofilms shall be pursued in this research project by a newly deve-loped probe which should destroy these biofilms by UV-irradiation (185 nm) and simultaneously determine the oxidation products by conductivity measurement.

↗ DiPl.-ing. anDreaS albin ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich V – life sciences and technology ↗ DiPl.-ing. JoCHen brunner ∧ vlB Berlin ↗ b.SC. DeboraH HerDt ∧ hochschule mannheim ↗ KerStin SCHlaCHter ∧ hochschule mannheim ↗ Dr.-ing. Martin SenZ ∧ vlB Berlin ↗ Prof. Dr. MattHiaS räDle ∧ hochschule mannheim ↗ Prof. Dr.-ing. JoHanneS baDer ∧ Beuth hochschule für technik Berlin

Detektion und Desinfek-tion von mikrobiologischen Kontaminationen in der Pharma- und Lebensmittel-industrie

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

051einleitungIn industriellen Produktionsprozessen im Bereich der Pharma- und Lebensmittelin-dustrie stellen mikrobiologische Konta-minationen eine wesentliche Gefahr für die Produktqualität sowie die Gesundheit des Konsumenten dar. Trotz ausgereifter Herstellungsprozesse mit geschlossenen Produktionslinien sowie standardisierten Reinigungs-, Desinfektions- oder Sterilisa-tionsverfahren kann es durch die Bildung von Biofilmen immer wieder zu mikrobiel-len Kontaminationen des Produktes kom-men. Da Mikroorganismen innerhalb des Biofilms durch die besondere Struktur der Biofilmmatrix geschützt vorliegen, erhöht sich hierdurch die Resistenz gegenüber den Desinfektionsverfahren.

Als Lösung für diese Problematik soll in diesem Projekt eine spezielle Sonde entwi-ckelt werden, die direkt in die Rohrsysteme ein- und durch diese hindurchgeführt wer-den kann. Dabei sollen mikrobiologische Kontaminationen ortsgenau detektiert sowie desinfiziert werden. Die Sonde ar-beitet nach dem Prinzip der Bestimmung des TOC (total organic carbon, gesamter organischer Kohlenstoff). Durch eine UV-Strahlungsquelle in der Sonde werden die Rohrwandungen mit UV-Strahlung be-strahlt, wodurch im umgebenden Medium (Wasser) sowie in potenziellen Biofilmen die Bildung von Sauerstoffradikalen (ROS, reactive oxygen species) induziert wird. ROS besitzen eine starke Oxidationskraft, wodurch Mikroorganismen inaktiviert und organische Substanzen oxidiert werden.

Als Messgröße für das Auftreten einer organischen Verunreinigung wird die Leitfä-higkeit herangezogen, da die bei der Oxida-tion entstehenden gelösten Verbindungen die Leitfähigkeit des Mediums verändern. Ein im Gegensatz zum umgebenden Me-dium unveränderter Wert der Leitfähigkeit spricht für einen reinen, nicht kontaminier-ten Rohrabschnitt.

raDiKalbilDung DurCH uv-StraHlungUV-Strahlung ist ein gängiges Mittel, um beispielsweise Arbeitsflächen in Laborato-rien zu entkeimen. Hierzu wird in der Regel Licht mit einer Wellenlänge von 254 nm genutzt, das Mikroorganismen direkt auf Ebene des Erbgutes schädigt. Durch den Energieeintrag der Strahlung werden in-nerhalb des DNA-Doppelstranges jeweils zwei benachbarte Pyrimidin Basenpaare kovalent verknüpft. Hierdurch sind sowohl die Transkription, also das Ablesen der DNA zur Erzeugung von beispielsweise Proteinen als auch die Replikation der DNA bei der Zellteilung nicht möglich, was zum Zelltod führt.

Für die zur Detektion benötigte Oxidation der Biomasse ist eine Wellenlänge von 254 nm allerdings nicht ausreichend. Hier-zu wird Licht mit einer Wellenlänge von 185 nm benötigt. Dies bedeutet weitaus höhere Anforderungen an die Strahlungs-quelle, da diese aus speziellem Quarzglas gefertigt sein muss, um für Wellenlängen unterhalb von 200 nm durchlässig zu sein.

052Die Radikalbildung hängt allerdings nicht nur von der Strahlungsquelle und dem umgebenden Medium ab. Es existieren unterschiedliche Möglichkeiten, die Bil-dung von Radikalen zu verstärken. Neben Chemikalien wie Natriumpersulfat, die bei Eintrag von Energie zerfallen und zusätzlich Sauerstoffradikale abgeben, können pho-tokatalytisch aktive Subtanzen wie Titan-dioxid eingesetzt werden. Letztere eignen sich besonders, da diese als Katalysator fungieren und nicht kontinuierlich zugege-ben werden müssen.

Die photokatalytische Aktivität von Titandi-oxid beruht darauf, dass es sich um einen Halbleiter handelt, in dem die Elektroden im Valenzband vorliegen und durch eine Bandlücke vom Leitungsband getrennt sind (siehe Abbildung 1). Durch die Absorption von Licht, dessen Energie höher ist als diese Bandlücke, werden die Elektronen in das Leitungsband angeregt. Im Anschluss rekombinieren die angeregten Elektronen wieder mit dem Loch im Valenzband, oder sie wandern an die Oberfläche des Materi-als, wo sie mit redoxaktiven Stoffen reagie-ren und Radikale bilden [Kan 11].

auSwaHl geeigneter/rele-vanter MiKroorganiSMenDie Entwicklung einer Sonde zur sicheren Detektion sowie Desinfektion von Biofil-men setzt voraus, dass reproduzierbare Biofilme als Bioindikatoren im Labor herge-stellt werden und als simulierte Kontamina-tionen in dem zu entwickelnden System im Labormaßstab untersucht werden können [Alb 15]. Die Auswahl an biofilmbildenden Mikroorganismen richtete sich nach Er-fahrungswerten der Projektpartner sowie Angaben aus der Literatur [Pah 13]. Für re-produzierbare Ergebnisse bei der Desinfek-tion wurde die Biofilmbildung einzelner Mi-kroorganismen untersucht und optimiert. Ziel war es, eine gleichbleibende Qualität der Biofilme zu erzeugen sowie deren Herstellungsdauer gleichzeitig kurz zu hal-ten. In Abbildung 2 ist die Biofilmbildung ausgewählter Mikroorganismen mit Hilfe des Microtiterdish Biofilm Formation Assay (MDBFA) [O’to 11] dargestellt. Hierbei wer-den die Mikroorganismen in einer 96-Well Mikrotiterplatte in Nährmedium inkubiert. Anschließend werden frei vorliegende Zellen zu definierten Zeitpunkten aus der Platte gewaschen, sodass nur noch Zel-len, die in einem Biofilm an der Wandung haften, vorhanden sind. Diese werden im Anschluss durch Säurezugabe in Lösung gebracht, mit Kristallviolett angefärbt und photometrisch vermessen. Die Intensität der Färbung gibt die Fähigkeit der Mikroor-ganismen zur Biofilmbildung wieder.

Á Abbildung 1: Wirkmechanismus der photoka-

talytischen Aktivität von Titandioxid

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

053

DeteKtion unD DeSinfeK-tion von organiSCHen Sub-StanZen Sowie MiKroorga-niSMen Mit uv-StraHlungZur Bestimmung der Einflüsse auf die Leitfähigkeit während der Bestrahlung von organischen Substanzen sowie zum Ermitteln der zu erwartenden Messwerte bei verschiedenen Zellkonzentrationen wurde der in Abbildung 3 dargestellte Ver-suchsaufbau entwickelt. Eine UV-Quelle ist direkt über der zu oxidierenden Probe angebracht. Die Probe selbst befindet sich in einem mit Wasser gefüllten Gefäß, so-dass die bei der Oxidation entstehenden Produkte direkt in Lösung gehen können. Elektroden zur Ermittlung der Leitfähig-keits-, pH- sowie Temperaturänderung messen die Änderung des Mediums wäh-

Á Abbildung 2: Auswahl geeigneter Stämme zur Bildung von Biofilmen mittels Microtiterdish Biofilm

Formation Assay nach O’Toole 2011

Á Abbildung 3: Schematischer Aufbau der

UV-Desinfektionseinheit im Labormaßstab. Die

UV-Quelle ist über einem Probengefäß ange-

bracht. Innerhalb des Probengefäßes wird das

umgebende Medium (in der Regel Wasser) durch

einen Magnetrührer gerührt, sodass die eintau-

chenden Elektroden kontinuierlich umspült wer-

den. Das Flüssigkeitsvolumen wird so klein wie

möglich gehalten, überdeckt jedoch die Probe.

054rend des Versuchszeitraumes. Um kons-tante und richtige Werte zu erhalten, wird die Flüssigkeit gerührt.

Die aus dem Versuchsaufbau im Labor-maßstab erhaltenen Ergebnisse werden zur Erstellung eines Sonden-Prototypen herangezogen. Die zu entwickelnde Sonde soll, wie in Abbildung 4 schematisch dar-gestellt, als Molchkette verwirklicht wer-den, um auch Biegungen in Rohrsystemen durchfahren zu können. Der Vorschub der Sonde durch das Rohr wird durch Wasser-druck realisiert.

In Abbildung 5 ist die Bestrahlung einer Hefesuspension gezeigt. Während des zehnminütigen Versuchs wurde eine signi-fikante Änderung der Leitfähigkeit bei der

Bestrahlung der Hefe beobachtet (Rot). Die-se Änderung wurde durch das Einbringen einer mit Titandioxid beschichteten Fliese deutlich verstärkt (Lila).

ZuSaMMenfaSSung Die in diesem Projekt erarbeiteten Ergeb-nisse lassen die Aussage zu, dass eine Detektion von mikrobiologischen Verun-reinigungen durch UV-Bestrahlung mit anschließender Messung der Leitfähigkeit möglich ist. Die Umsetzung der Ergebnisse in eine funktionale Sonde wird innerhalb der Projektlaufzeit parallel durch die Pro-jektpartner Hochschule Mannheim, Institut für Prozessmesstechnik und Innovative Energiesysteme, unter Leitung von Herrn Professor Dr. M. Rädle, sowie die Firma Aquaduna GmbH & Co KG realisiert. «

Á Abbildung 4: Schema des zu entwickelnden Testmolches. Dargestellt ist eine Dreimolchkette, die

Messsysteme (Kamera, Leitfähigkeitsmesszelle), eine UV-Quelle sowie eine Spannungsquelle sind in

den einzelnen Komponenten untergebracht. Aus Übersichtsgründen sind die Verbindungselemente

(Kugelgelenke) der einzelnen Molchkugeln nicht dargestellt.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

055

KontaKtDipl.-Ing. (FH) M.Sc. Andreas Albin Beuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich V – Life Sciences and TechnologySeestraße 64, 13347 Berlin

» [email protected] » studiengang.beuth-hochschule.de

Prof. Dr.-Ing. Johannes Bader Beuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich V – Life Sciences and TechnologySeestraße 64, 13347 Berlin

» (030) 4504 – 3955 » [email protected] » prof.beuth-hochschule.de/bader

Gefördert vom

literaturverZeiCHniS[Alb 15]: Albin, A., Stahl, U., Ziegler, A.,

Rädle, M., Bader, J. (2015). Qualitätssi-

cherung in der Pharma- und Lebensmit-

telindustrie durch den Einsatz optimierter

Bioindikatoren und die Lokalisation von

Biofilmen in Rohrleitungssystemen. Re-

search Day 2015, Berlin, 21. April 2015.

ISBN: 978-3-86387-595-4.

[Kan 11]: Kandiel, T. A., Dillert, R., Robben,

L., Bahnemann, D. W. (2011). Photonic

efficiency and mechanism of photocata-

lytic molecular hydrogen production over

platinized titanium dioxide from aqueous

methanol solutions. Catalysis today 161.

196–201.

[Pah 13]: Pahl, R., Fischer, B. (2013). Subs-

trate and environment specific biofilms in

beverage filling plants. Brauerei Forum –

VLB International. September 2013. 12–15.

[O’to 11]: O’Toole, George A. (2011). Micr-

otiter dish biofilm formation assay. Jour-

nal of visualized experiments (47). DOI:

10.3791/2437.

Á Abbildung 5: UV-Bestrahlung der Hefe Klyveromyces marxianus ohne sowie mit einer photokata-

lytischen Oberfläche (Titandioxid beschichtete Fliese). Innerhalb des Versuchszeitraumes fand keine

signifikante Änderung der Temperatur sowie des pH-Wertes statt.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

057

POSTERLIFE SCIENCE

058

Genetic growth of neuron morphologies with cellular automataWith the CoDi Cellular Automaton (CA) large neural structures can be grown, simulated and analyzed in a discrete cellular space1. Evolutionary techniques can be applied to optimize the structure and connectivity with respect to a desired functionality2,3. We propose a new genetic growth model for CoDi which produces morphologies similar to biological neurons. The results are compared to real neurons from a database.

Related WorkIn an approach by Cuntz4, branch points are randomly distributed around a neuron body as a center and are gradually connected to its axon- or dendrite-tree.

BackgroundThe CoDi CA operates in two phases: growth phase and signaling phase. The type of a cell can only change during the growth phase, for example a blank cell can change to an axon or a dendrite cell. Neurons start growing from neuron body cells as a seed points. Traditionally growth is deterministic, based on a gene extending over the whole cellular space. Each cell contains a portion of the genetic information of the form »grow-straight«, »split-right«, etc. In the signaling phase cells propagate action- and membrane-potentials.

The New Probabilistic Growth ModelFor bio-plausible growth, a cell on a growing axon or dendritic branch must have knowledge of its position and nesting level within

• Figure 1: Two neurons with different genomes grown with a 3D CoDi cellular automaton, the dendrite is green (without distinction between basal and apical) and the axon is magenta.

• Prof. Dr. Felix Alexander Gers · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]

the tree structure. In this context the genome is interpreted. We propose a gene with 7 parameters: forward vector, probabilities to branch or to stop growth, offset of the first branch, minimum distance between branches, minimum length of the main branch and of a side-branch.

ResultsFor the neuron on the right side of fig.1, the probability to branch on the dendrite is higher and the minimum branch length is longer, which leads to a denser structure. For the axon of the left neuron the offset of the first branch and the minimum distance between branches is smaller, hence the ramifications begin earlier and branching is more frequent.

DiscussionThe new gene-controlled, probabilistic growth process produces realistic neural structures. Genes can be adapted to generate morphologies for different types of neurons.

References 1. Gers, De Garis (1998) Artificial Evolution 315-333, doi

10.1007/BFb0026610

2. Hough, et al. (1999) Int. Conf. on Robotics and Artificial Life (AROB 4)

3. Schwarzer (2004) Logos Verlag Berlin, ISBN 978-3-8325-0628-5

4. Cuntz, et al. (2010) PLoS Computational Biology, doi

10.1371/journal.pcbi.1000877

Research Day 2016 Stadt der Zukunft Konzepte und Technologien Life Sciences











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

059

• Prof. Dr.-Ing. Peter Götz · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]• Dr. Katja Karstens · Beuth Hochschule für Technik Berlin• Emre Akyürek, M.Sc., · Beuth Hochschule für Technik Berlin• Dipl.-Ing. Sergej Trippel · Beuth Hochschule für Technik Berlin

Gefördert durch:

Quelle: E. Akyürek/K. Karstens

Que

lle: E

. Aky

ürek

/K. K

arst

ens

Que

lle: E

. Aky

ürek


Biosynthese von Grundchemikalien aus nachwachsenden RohstoffenDie Aceton-Butanol-Ethanol-(ABE)-Fermentation stellt eine Mög-lichkeit dar, die namengebenden Chemikalien aus nachwach-senden Roh- bzw. Abfallstoffen zu produzieren. Eine biotechno-logische Produktion dieser Lösungsmittel ist von Interesse, da sowohl das Hauptprodukt der Fermentation Butanol als auch das Nebenprodukt Ethanol als Biokraftstoffe der Zukunft gehandelt werden. Ferner ist Butanol ein Grundbaustein der chemischen Industrie, dessen derzeitige Gewinnung aus Erdöl es mittel- bis langfristig durch regenerative Quellen zu substituieren gilt. Im Rahmen des OPTISOLV-Projekts forscht unsere Arbeitsgruppe deshalb an der Optimierung des ABE-Fermentationsprozesses. Ein Ansatz ist, den die ABE-Fermentation katalysierenden Orga-nismus Clostridium acetobutylicum zu immobilisieren, um so die Lebensdauer und Effektivität des Biokatalysators zu erhöhen.

Mikroverkaspelung von Clostridium acetobutylicumEin neuartiges Verfahren zur Immobilisierung von Clostridien-Sporen ist die Mikroverkapselung mit dem Polysaccharid Gellan. Der Vorteil dieses Verfahrens, welches auf Emulgierung einer wässerigen Sporen-Gellan-Phase in einer organischen Phase beruht, ist die Entstehung sehr kleiner Immobilisate. Die Gel-lanmikrokugeln haben einen Durchmesser von 20 – 150 µm und besitzen so minimale Diffusionswege. Gleichzeitig sind die Zel-len jedoch vollständig von der Matrix umschlossen, was sie in ihrem Wachstum einschränkt und vor den in höheren Konzent-rationen toxischen Produkten der ABE-Fermentation schützt.

Optimierung der biobasierten Aceton-Butanol-Ethanol-Produktion durch Mikroverkapselung von Clostridium acetobutylicum

Produktivitätssteigerung durch repeated Batch-FermentationenUnsere Versuche zeigen, dass sich mit in Gellanmikrokugeln im-mobilisierten Clostridien höhere Lösungsmittelkonzentrationen in der ABE-Fermentation erzielen lassen als mit freien Zellen. In einfachen Batch-Fermentationen benötigen die immobilisierten Clostridien jedoch mehr Zeit für die Produktion der Lösungs-mittel als die freien Zellen. Die Mikroverkapselung ermöglicht es nach Verbrauch der im Medium vorhandenen Glukose, den Biokatalysator durch Filtration von der Fermentationsbrühe zu trennen und erneut für die Fermentation in frischem Medium einzusetzen. Dabei entfällt die Latenzphase des ersten Batch-Ansatzes. Wir konnten zeigen, dass sich durch den wiederhol-ten Einsatz der Immobilisate die Butanol-pro-Glukose-Ausbeu-te und auch die Produktivität des Gesamtprozesses gegenüber der einfachen Batch-Fermentation mit freien Zellen erhöht. Die Steigerung der Produktivität in diesem repeated-Batch-Verfah-ren soll zukünftig auf einen kontinuierlichen Fermentationspro-zess übertragen werden.

• Vergleich verschiedener Fermentationsverfahren hinsichtlich erzielter Produktkonzentration, Ausbeute und Produktivität

Arbeit im Rahmen des Kooperationsprojekts:

eingesetzte Glukose-konzentration [g L-1]

finale Butanol-konzentration [g L-1]

Zeit bis zum Erreichen von cBut,max [Tagen]

Ausbeutekoeffizient [gBut gGlu

-1] Vol. Produktivität

[gBut L-1 h-1]

freie Zellen Batch 42,7 ± 1,9 8,1 ± 0,6 4,0 ± 0,8 0,19 ± 0,01 0,09 ± 0,01

Immobilisat Batch 47,0 ± 3,7 11,3 ± 0,9 8,3 ± 0,5 0,24 ± 0,00 0,06 ± 0,01

Zyklus 2 40,5 ± 0,5 11,5 ± 1,5 4,0 ± 1,0 0,28 ± 0,03 0,12 ± 0,02

Zyklus 3 39,0 ± 1,0 11,6 ± 1,3 3,5 ± 0,5 0,30 ± 0,03 0,14 ± 0,00

Zyklus 4 41,5 ± 0,5 11,8 ± 1,0 3,5 ± 0,5 0,28 ± 0,02 0,14 ± 0,01

Gesamtprozess 0,28 ± 0,02 0,10 ± 0,01

• Einbettung von Clostridium acetobutylicum in Gellanmikrokugeln

• ABE-Fermentationen freier und immobilisierter Clostridien

www.optisolv.eu Förderkennzeichen: 031A231C











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


060

• Prof. Dr. Steffen Prowe · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]

M.Sc. Susanne Helbig*; M.Sc. Susanne Fischer; Franziska Hannemann – Beuth Hochschule für Technik Berlin, FB V, Studiengang Biotechnologie *geborene Wickert, BIOTECON Diagnostics GmbH


Die Biogas-Erzeugung erfolgt durch anaerobe Mikroorganis-men, wie hydrolytische, acidogene, acetogene Bakterien als auch methanogene Archaeen. Dabei können durch Substrate wie Gülle auch pathogene Mikroorganismen in die Prozessket-te eingebracht werden (Abb. 1). Ziel des Teilprojektes an der Beuth Hochschule in der AG Prowe war der selektive Nachweis solcher pathogener Indikator-Bakterien als Repräsentanten weiterer pathogener Organismen. Dazu wurden Endosporen-bildende Clostridia, die pflanzenpathogene Spezies Xantho-monas als auch Mitglieder der Gattung Listeria definiert, für die jeweils ein qPCR-basierter Assay zum Nachweis entwickelt wurde. Dies soll den schnellen qualitativen und quantitativen Nachweis dieser Mikroorganismen aus der Biogasmatrix heraus ermöglichen, ähnlich wie z.B. Clostridium botulinum (Frö 15).

Erlaubt den Nachweis von spezifischen DNA-Sequenzen der gesuchten Mikroorganismen. Die erfolgreiche Extraktion wur-de innerhalb des Verbundprojektes in einem Interlabor-Assay dargestellt (Leb 16) und als nahezu einheitlicher Standard eta-

Zur Etablierung der Assays wurden aus den Mikroorganismen Xanthomonas translucens (Bachelorarbeit Katrin Kelemen, 2014), für Clostridium sordelli und Clostridium difficile (Mas-terarbeit Peter Rink, 2013) als auch für Listeria monocytogenes (Masterarbeit Nina Sperling, 2015) die DNA extrahiert und se-lektive Primer-Sonden-System konstruiert. Am Beispiel der beiden pathogenen Clostridium-Spezies zeigen wir, dass ein Multiplex-System etabliert werden konnte (Rin 14). Dazu wurde für jede Spezies neben einer spezifischen Primer-Kombination eine mit einem Fluorochrom versehene spezifi-sche Sonde eingesetzt (Abb. 3).

Zum Projektabschluss erfolgte die Bestimmung des LOD (Limit of Detection) und des LOQ (Limit of Quantification). Zudem wur-de Probenmaterial aus Praxisanlagen und den Versuchsanlagen des Projektpartners ATB erfolgreich getestet. Gemeinsam mit den Assays der Partner bzgl. weiterer pathogener Keime (LfL), methanogener (ATB, LFL, CeBiTec) als auch hydroplytischer (TUM) Mikroorganismen wurde eine Möglichkeit aufgezeigt, prozessrelevante Mikroorganismen nachweisen zu können.

Auf Basis der quantitativen (real-time) PCR zum Monitoren pathogener Mikroorganismen in einem Biogasprozess

Biogas & Pathogen-Nachweis

Die angewandte qPCR Technologie

Etablierung, Optimierung und Quantifizierung der Assays

Das Verbundprojekt „BiogasMarker“ mit dem Koordinator ATB Potsdam-Bornim und den Partner LfL Freising, TU München und CeBiTec Bielefeld wurde gefördert durch das BMBF über den Projektträger PtJ (Förderkennzeichen 03SF0440D), im Verbund des BiogasNetzwerkes. Der Dank gilt auch den Bachelor- und Master-Studierenden, die durch ihre Arbeiten das Projekt wesentlich unterstützt haben.

Literatur(Frö 15) Fröschle, B., Messelhäusser, U., Höller, C., & Lebuhn, M. (2015). Fate of Clostridium botulinumand incidence of pathogenic clostridia in biogas processes. Journal of Applied Microbiology, 119 (4), 936–947. (Leb 16) Lebuhn, M., Derenkó, J., Rademacher, A., Helbig, S., Munk, B., Pechtl, A., Stolze, Y., Prowe, S., Schwarz, W., Schlüter, A., Liebl, W.and Klocke, M. (2016). DNA and RNA Extraction and Quantitative Real-Time PCR-Based Assays for Biogas Biocenoses in an Interlaboratory Comparison. Bioengineering, 3 (1), 7. (Rin 14) Rinck, P., Susanne Wickert, S., Prowe, S. 2014. Development of a rapid detection system for Clostridium sordelli and Clostridium difficile in biogas reactors based on quantitative real-time PCR. VAAM-Tagung Dresden, Poster FTP12.

1

Research Day 2016-‐02-‐08 Life Science Prof. Dr. Steffen Prowe; M.Sc. Susanne Helbig*; M.Sc. Susanne Fischer; Franziska Hannemann Beuth Hochschule für Technik Berlin, FB V, Studiengang Biotechnologie *geborene Wickert, BIOTECON Diagnostics GmbH Etablierung von molekularen Nachweissystemen auf Basis der quantitativen (real-‐time) PCR zum Monitoren pathogener Mikroorganismen in einem Biogasprozess Biogas & Pathogen-‐Nachweis Die Biogas-‐Erzeugung erfolgt durch anaerobenMikroorganismen, es sind hydrolytische, acidogene, acetogene Bakterien als auch methanogene Archaeen. Dabei können durch Substrate wie Gülle auch pathogene Mikroorganismen in die Prozesskette eingebracht werden (Abb. 1). Ziel des Teilprojektes an der Beuth Hochschule in der AG Prowe war der selektive Nachweis solcher pathogener Indikator-‐Bakterien als Repräsentanten weiterer pathogener Organismen. Dazu wurden Endosporen-‐bildende Clostridia , die pflanzenpathogene Spezies Xanthomonas als auch Mitglieder der Gattung Listeria definiert, für die jeweils ein qPCR-‐basierter Assay zum Nachweis entwickelt wurde. Dies soll den schnellen qualitativen und quantitativen Nachweis dieser Mikroorganismen aus der Biogasmatrix heraus ermöglichen, ähnlich wie z.B. Clostridium botulinum (Frö 15).

Abbildung 1: Schema einer Biogasanlage, modifiziert um das wahrscheinliche Auftreten pathogener Mikroorganismen. Aus Agentur Erneuerbare Energien (http://www.unendlich-‐viel-‐energie.de/mediathek/grafiken/wie-‐funktioniert-‐eine-‐biogasanlage)

Die Abb kann auch nur die halbe Breite des Posters umfassen Die angewandte qPCR Technologie Erlaubt den Nachweis anhand für die gesuchten Mikroorganismen spezifischer DNA-‐Sequenzen. Die erfolgreiche Extraktion wurde innerhalb des Verbundprojektes in einem Interlabor-‐Assay dargestellt (Leb 16) und als nahezu einheitlicher Standard etabliert. Anhand

2

einer eindeutigen Genregion kann über bioinformatische Wege eine Zielsequenz definiert werden (Abb. 2). Über komplementäre Primer-‐Sonden-‐Systeme kann dann der Nachweis erfolgen, indem dieser DNA-‐Bereich alleinig vervielfältigt wird. Zur Quantifikation wurden Plasmid-‐Standards für die gesuchten Gene kloniert. Somit kann je nach Menge der vorhandenen DNA im Vergleich zu einem bekannten Standard die Menge der pathogenen Mikroorganismen bestimmt werden

Abbildung 2: Alignment des angepassten Primer-‐Sonden-‐Systems nach Maes et al (1996) mittels nah verwandter Spezies

Etablierung, Optimierung und Quantifizierung der Assays Zur Etablierung der Assays wurden aus den Mikroorganismen Xanthomonas translucens (Bachelorarbeit Katrin Kelemen, 2014), für Clostridium sordelli und Clostridium difficile (Masterarbeit Peter Rink, 2013) als auch für Listeria monocytogenes (Masterarbeit Nina Sperling, 2015) die DNA extrahiert und selektive Primer-‐Sonden-‐System konstruiert. Am Beispiel der beiden pathogenen Clostridium-‐Spezies zeigen wir, dass ein Multiplex-‐System etabliert werden konnte (Rin 14). Dazu wurde für jede Spezies neben einer spezifischen Primer-‐Kombination eine mit einem Fluorochrom versehene spezifische Sonde eingesetzt (Abb. 3).

Abbildung 3: Der entwickelte real-‐time PCR Assay ermöglicht den gleichzeitiger Nachweis von C. difficile im FAM-‐ Kanal und C. sordellii im HEX-‐Kanal.

Zum Projektabschluß erfolgte die Bestimmung des LOD (Limit of Detection) und der LOQ (Limit of Quantification). Zudem wurde Probenmaterial aus Praxisanlagen als auch den Versuchsanlagen des Projektpartners ATB erfolgreich getestet. Gemeinsam mit den Assays der Partner bzgl. weiterer pathogener Keime (LfL), methanogener (ATB, LFL, CeBiTec) als auch hydroplytischer (TUM) Mikroorganismen wurde eine Möglichkeit aufgezeigt, prozessrelevante Mikroorganismen nachweisen zu können.

2






3

Den Text klein im Partnerkasten: Das Verbundprojekt „BiogasMarker“ mit dem Koordinator ATB Potsdam-‐Bornim und den Partner LfL Freising, TU München und CeBiTec Bielefeld wurde gefördert durch das BMBF über den Projektträger PtJ (Förderkennzeichen 03SF0440D), im Verbund des BiogasNetzwerkes. Der Dank gilt auch den Bachelor-‐ und Master-‐Studierenden, die durch ihre Arbeiten das Projekt wesentlich unterstützt haben.

Literatur (nur ganz klein dazuschreiben) (Frö 15) Fröschle, B., Messelhäusser, U., Höller, C., & Lebuhn, M. (2015). Fate of Clostridium botulinumand incidence of pathogenic clostridia in biogas processes. Journal of Applied Microbiology, 119 (4), 936–947. (Leb 16) Lebuhn, M., Derenkó, J., Rademacher, A., Helbig, S., Munk, B., Pechtl, A., Stolze, Y., Prowe, S., Schwarz, W., Schlüter, A., Liebl, W.and Klocke, M. (2016). DNA and RNA Extraction and Quantitative Real-Time PCR-Based Assays for Biogas Biocenoses in an Interlaboratory Comparison. Bioengineering, 3 (1), 7. (Rin 14) Rinck, P., Susanne Wickert, S., Prowe, S. 2014. Development of a rapid detection system for Clostridium sordelli and Clostridium difficile in biogas reactors based on quantitative real-time PCR. VAAM-Tagung Dresden, Poster FTP12.

3



3



3



• Abbildung 1: Schema einer Biogasanlage, modifiziert um das wahrscheinliche Auftreten pathogener Mikroorganismen.

• Der entwickelte real-time PCR Assay ermöglicht den gleichzeitiger Nachweis von C. difficile im FAM- Kanal und C. sordellii im HEX-Kanal.

bliert. Anhand einer eindeutigen Genregion kann über bioin-formatische Wege eine Zielsequenz definiert werden (Abb. 2). Über komplementäre Primer-Sonden-Systeme kann dann der Nachweis erfolgen, indem dieser DNA-Bereich alleinig verviel-fältigt wird. Zur Quantifikation wurden Plasmid-Standards für

• Abbildung 2: Alignment des angepassten Primer-Sonden-Systems nach Maes et al (1996) mittels nah verwandter Spezies

die gesuchten Gene kloniert. Somit kann je nach Menge der vorhandenen DNA im Vergleich zu einem bekannten Standard die Menge der pathogenen Mikroorganismen bestimmt werden.

Que

lle: w

ww

.une

ndlic

h-vi

el-e

nerg

ie.d

e

Etablierung von molekularen Nachweissystemen











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

061

Geschlossene Rohrsysteme in industriellen Anlagen stellen be-sondere Anforderungen an deren Reinigungsprozesse. Hierbei bereiten insbesondere Biofilme auf Grund ihrer hohen Resistenz gegenüber Desinfektionsmitteln Probleme. Die Detektion sowie Desinfektion von Biofilmen soll durch eine in diesem Projekt zu entwickelnde in-line Sonde (Abbildung 1) sicher gewährleistet wer-den, indem diese Biofilme direkt im Rohrsystem durch UV-Strah-lung (185 nm) zerstört und deren Oxidationsprodukte über eine Leitfähigkeitsmessung bestimmt werden.

Auswahl geeigneter Mikroorganismen für Biofilme als BioindikatorZur Generierung von Reinigungsalgorithmen der Sonde sowie zur Bestimmung von äußeren Einflüssen auf die Messung während der Entwicklung, ist die Herstellung von reproduzierbaren Biofil-men als Bioindikatoren im Labor notwendig. Für reproduzierbare Ergebnisse bei der Desinfektion wurde die Biofilmbildung einzel-ner Mikroorganismen mit Hilfe des Microtiter Dish Biofilm Forma-tion Assay (MDBFA, O´Toole 2011) untersucht und optimiert. Ziel war es, eine gleichbleibende Qualität der Biofilme zu erzeugen sowie deren Herstellungsdauer gleichzeitig kurz zu halten.

Messprinzip zur Detektion von BiofilmenDie Detektion der Biofilme soll über die Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) geschehen. Hierzu soll die Sonde die Rohrinnenwand sowie potentielle Biofilme mit UV-Licht (185 nm) bestrahlen und dadurch die Bildung von Sauerstoffradikalen (ROS) im Medium als auch im Biofilm selbst induzieren. Durch die ROS wird der organische Kohlenstoff zu CO2 oxidiert, dieses geht in Lösung und wird durch die Änderung der Leitfähigkeit gemes-

Detektion von organischen Substanzen sowie MikroorganismenIn einem speziell entwickelten Versuchsaufbau im Labor werden die Einflüsse auf die Leitfähigkeit während der Bestrahlung von organischen Substanzen sowie die zu erwartenden Messwerte bei unterschiedlichen Zellkonzentrationen ermittelt. Abbildung 3 zeigt die Änderung der Leitfähigkeit einer Hefesuspension bei UV-Bestrahlung. In Anwesenheit von Titandioxid wurde ein bis zu 33% höheres Signal bei der Änderung der Leitfähigkeit erreicht.

• Prof. Dr.-Ing. Johannes Bader ·Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages (Förderkennzeichen KF2049905RH4).

• Schema des zu entwickelnden Testmolches. Dargestellt ist eine Dreimolchkette. Die Verbindungselemente (Kugelgelenke) der einzelnen Molchkugeln sind aus Übersichtsgründen nicht dargestellt.

• UV-Bestrahlung der Hefe Kluyveromyces marxianus ohne sowie mit einer photokatalytischen Oberfläche (Titandioxid beschichtete Fliese).

Detektion und Desinfektion von mikrobiologischen Kontaminationen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie

sen. Bleibt der Wert der Leitfähigkeit vom umgebenden Medium unverändert, wird von einem reinen, nicht kontaminierten Rohr-abschnitt gesprochen. Durch den Einsatz von Titandioxid als pho-tokatalytisch aktive Substanz kann die Konzentration an ROS bei gleicher Lichtleistung verstärkt werden.

Quelle: Andreas Albin

Quelle: Andreas Albin












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


062

• Prof. Dr. rer. nat. Monika Springer · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected] • Neele George • Claudia Rolle • Fabian Bürger • Jasmin El-Aama · Beuth Hochschule für Technik Berlin


ZielstellungDas Unternehmen Hofmann & Sommer stellt in bereits über 100-jähriger Firmentradition klassische Heilmittel wie den Me-lissengeist H Hofmann‘s® her. Dieses Präparat soll auf Optimie-rungspotentiale und auf seine Beliebtheit im Vergleich zu anderen Marktprodukten untersucht werden.

Ergebnis der analytischen UntersuchungZur Entfernung des herben Aromas wurde der Rezepturbestandteil Citronellöl der Vakuumdestillation unterworfen. Das Ausgangsöl, das Destillat und der Rückstand wurden mittels GC-FID mit integ-riertem Sniffing und GC-MS analysiert. Die Citro-nellal- und Citronellolgehalte wurden reduziert.

Der Rückstand weist ein milderes und frischeres Zitronenaroma als das Ausgangser-zeugnis auf.

FazitDie sensorischen Tests zeigen auf, dass der Melissengeist H Hofmann‘s® in der Gesamtakzeptanz deutlich präferiert wird, ob-wohl der Geschmackseindruck „melissen-zitronenaromatisch“ als zu stark bewertet wird. Die olfaktorisch/gustatorische Verbesse-rung des Melissengeist H Hofmann‘s® bezüglich des Inhaltsstof-fes Citronellöl wird angestrebt. Die angewandte Vakuumdestillati-on erweist sich insofern als erfolgreich, als dass das verbleibende Sumpfgemisch olfaktorisch frischer und fruchtiger wahrgenom-men wird als das Citronellöl-Ausgangsprodukt.

Material und Methoden » Sechs Melissengeisterzeugnisse (Real Vital, Klosterfrau, Vital E, N Schaebens, Rossmann H, Melissengeist H Hofmann‘s®)

» Profilanalyse: Charakterisierung der Produkte » Hedonische Rangordnungsprüfung: Beliebtheitstest von Melissengeist-Produkten (mit x Probanden der Altersgruppe von bis), statistische Prüfung mittels FRIEDMANN-Test

» Just-About-Right-Test: Feststellung welche Einzelmerkmale die Beliebtheit beeinträchtigen

» Analytische Untersuchungen: modifizierte Gaschromatographie mit integriertem Sniffing

» Technologische Arbeit: Vakuumdestillation

Analyse von Off-Flavor eines Melissengeistes und technologische Optimierung

• Mittlere Rangplätze der im hedonischen Rangordnungstest dargereichten Erzeugnisse

Ergebnisse der sensorischen UntersuchungenDie sensorischen Tests ergeben, dass der von Melissengeist H Hofmann‘s® erzielte Rangplatz von 1,5 sich signifikant von den Rangplätzen 2,2 und 2,3 der Konkurrenzprodukte unterscheidet. Die Signifikanzprüfung erfolgt mittels FRIEDMANN-Test, α =0,05. Melissengeist H Hofmann‘s wird im direkten Vergleich mit Konkur-renzprodukten deutlich präferiert.

Der Just-About-Right-Test zeigt Optimierungspotentiale bezüglich eines zu intensiven „Melissen-/Zitronenaromas“ des Produktes. Zur Visualisierung dieser Abweichung dient der Triangle Plot.

• Chromatogramm des Melissengeist H Hofmann‘s® aus modifizierter GC mit Sniffing

•Triangleplot des Attributes „seifig“ für das Produkt Melissengeist H Hofmann‘s®

• Prof. Dr. Steffen Prowe · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]

M.Sc. Susanne Helbig*; M.Sc. Susanne Fischer; Franziska Hannemann – Beuth Hochschule für Technik Berlin, FB V, Studiengang Biotechnologie *geborene Wickert, BIOTECON Diagnostics GmbH


Die Biogas-Erzeugung erfolgt durch anaerobe Mikroorganis-men, wie hydrolytische, acidogene, acetogene Bakterien als auch methanogene Archaeen. Dabei können durch Substrate wie Gülle auch pathogene Mikroorganismen in die Prozessket-te eingebracht werden (Abb. 1). Ziel des Teilprojektes an der Beuth Hochschule in der AG Prowe war der selektive Nachweis solcher pathogener Indikator-Bakterien als Repräsentanten weiterer pathogener Organismen. Dazu wurden Endosporen-bildende Clostridia, die pflanzenpathogene Spezies Xantho-monas als auch Mitglieder der Gattung Listeria definiert, für die jeweils ein qPCR-basierter Assay zum Nachweis entwickelt wurde. Dies soll den schnellen qualitativen und quantitativen Nachweis dieser Mikroorganismen aus der Biogasmatrix heraus ermöglichen, ähnlich wie z.B. Clostridium botulinum (Frö 15).

Erlaubt den Nachweis von spezifischen DNA-Sequenzen der gesuchten Mikroorganismen. Die erfolgreiche Extraktion wur-de innerhalb des Verbundprojektes in einem Interlabor-Assay dargestellt (Leb 16) und als nahezu einheitlicher Standard eta-

Zur Etablierung der Assays wurden aus den Mikroorganismen Xanthomonas translucens (Bachelorarbeit Katrin Kelemen, 2014), für Clostridium sordelli und Clostridium difficile (Mas-terarbeit Peter Rink, 2013) als auch für Listeria monocytogenes (Masterarbeit Nina Sperling, 2015) die DNA extrahiert und se-lektive Primer-Sonden-System konstruiert. Am Beispiel der beiden pathogenen Clostridium-Spezies zeigen wir, dass ein Multiplex-System etabliert werden konnte (Rin 14). Dazu wurde für jede Spezies neben einer spezifischen Primer-Kombination eine mit einem Fluorochrom versehene spezifi-sche Sonde eingesetzt (Abb. 3).

Zum Projektabschluss erfolgte die Bestimmung des LOD (Limit of Detection) und des LOQ (Limit of Quantification). Zudem wur-de Probenmaterial aus Praxisanlagen und den Versuchsanlagen des Projektpartners ATB erfolgreich getestet. Gemeinsam mit den Assays der Partner bzgl. weiterer pathogener Keime (LfL), methanogener (ATB, LFL, CeBiTec) als auch hydroplytischer (TUM) Mikroorganismen wurde eine Möglichkeit aufgezeigt, prozessrelevante Mikroorganismen nachweisen zu können.

Auf Basis der quantitativen (real-time) PCR zum Monitoren pathogener Mikroorganismen in einem Biogasprozess

Biogas & Pathogen-Nachweis

Die angewandte qPCR Technologie

Etablierung, Optimierung und Quantifizierung der Assays

Das Verbundprojekt „BiogasMarker“ mit dem Koordinator ATB Potsdam-Bornim und den Partner LfL Freising, TU München und CeBiTec Bielefeld wurde gefördert durch das BMBF über den Projektträger PtJ (Förderkennzeichen 03SF0440D), im Verbund des BiogasNetzwerkes. Der Dank gilt auch den Bachelor- und Master-Studierenden, die durch ihre Arbeiten das Projekt wesentlich unterstützt haben.

Literatur(Frö 15) Fröschle, B., Messelhäusser, U., Höller, C., & Lebuhn, M. (2015). Fate of Clostridium botulinumand incidence of pathogenic clostridia in biogas processes. Journal of Applied Microbiology, 119 (4), 936–947. (Leb 16) Lebuhn, M., Derenkó, J., Rademacher, A., Helbig, S., Munk, B., Pechtl, A., Stolze, Y., Prowe, S., Schwarz, W., Schlüter, A., Liebl, W.and Klocke, M. (2016). DNA and RNA Extraction and Quantitative Real-Time PCR-Based Assays for Biogas Biocenoses in an Interlaboratory Comparison. Bioengineering, 3 (1), 7. (Rin 14) Rinck, P., Susanne Wickert, S., Prowe, S. 2014. Development of a rapid detection system for Clostridium sordelli and Clostridium difficile in biogas reactors based on quantitative real-time PCR. VAAM-Tagung Dresden, Poster FTP12.

1

Research Day 2016-‐02-‐08 Life Science Prof. Dr. Steffen Prowe; M.Sc. Susanne Helbig*; M.Sc. Susanne Fischer; Franziska Hannemann Beuth Hochschule für Technik Berlin, FB V, Studiengang Biotechnologie *geborene Wickert, BIOTECON Diagnostics GmbH Etablierung von molekularen Nachweissystemen auf Basis der quantitativen (real-‐time) PCR zum Monitoren pathogener Mikroorganismen in einem Biogasprozess Biogas & Pathogen-‐Nachweis Die Biogas-‐Erzeugung erfolgt durch anaerobenMikroorganismen, es sind hydrolytische, acidogene, acetogene Bakterien als auch methanogene Archaeen. Dabei können durch Substrate wie Gülle auch pathogene Mikroorganismen in die Prozesskette eingebracht werden (Abb. 1). Ziel des Teilprojektes an der Beuth Hochschule in der AG Prowe war der selektive Nachweis solcher pathogener Indikator-‐Bakterien als Repräsentanten weiterer pathogener Organismen. Dazu wurden Endosporen-‐bildende Clostridia , die pflanzenpathogene Spezies Xanthomonas als auch Mitglieder der Gattung Listeria definiert, für die jeweils ein qPCR-‐basierter Assay zum Nachweis entwickelt wurde. Dies soll den schnellen qualitativen und quantitativen Nachweis dieser Mikroorganismen aus der Biogasmatrix heraus ermöglichen, ähnlich wie z.B. Clostridium botulinum (Frö 15).

Abbildung 1: Schema einer Biogasanlage, modifiziert um das wahrscheinliche Auftreten pathogener Mikroorganismen. Aus Agentur Erneuerbare Energien (http://www.unendlich-‐viel-‐energie.de/mediathek/grafiken/wie-‐funktioniert-‐eine-‐biogasanlage)

Die Abb kann auch nur die halbe Breite des Posters umfassen Die angewandte qPCR Technologie Erlaubt den Nachweis anhand für die gesuchten Mikroorganismen spezifischer DNA-‐Sequenzen. Die erfolgreiche Extraktion wurde innerhalb des Verbundprojektes in einem Interlabor-‐Assay dargestellt (Leb 16) und als nahezu einheitlicher Standard etabliert. Anhand

2






2






3



3



3



3



• Abbildung 1: Schema einer Biogasanlage, modifiziert um das wahrscheinliche Auftreten pathogener Mikroorganismen.

• Der entwickelte real-time PCR Assay ermöglicht den gleichzeitiger Nachweis von C. difficile im FAM- Kanal und C. sordellii im HEX-Kanal.

bliert. Anhand einer eindeutigen Genregion kann über bioin-formatische Wege eine Zielsequenz definiert werden (Abb. 2). Über komplementäre Primer-Sonden-Systeme kann dann der Nachweis erfolgen, indem dieser DNA-Bereich alleinig verviel-fältigt wird. Zur Quantifikation wurden Plasmid-Standards für

• Abbildung 2: Alignment des angepassten Primer-Sonden-Systems nach Maes et al (1996) mittels nah verwandter Spezies

die gesuchten Gene kloniert. Somit kann je nach Menge der vorhandenen DNA im Vergleich zu einem bekannten Standard die Menge der pathogenen Mikroorganismen bestimmt werden.

Que

lle: w

ww

.une

ndlic

h-vi

el-e

nerg

ie.d

e

Etablierung von molekularen Nachweissystemen











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

LIF

E SC

IEN

CE

063











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

065

MEDIEN- UND KOMMUNIKA-TIONSTECHNOLOGIEN

066

Ziel des Projektes »Smart Learning – Medieneinsatz in der handwerklichen Wei-terbildung« ist das Einführen einer neuartigen mobilen Learning Companion App für die Fortbildung zum Gebäudeenergieberater. Lernende können jederzeit ihre von der App eingeschätzten Kenntnisse im Auge behalten und, basierend auf ihrem Lernbedarf, personalisierte Empfehlungen bekommen. Das Learning-Analytics-Modul gibt Dozenten einen Überblick über die Lernfortschritte der Lernenden und hilft ihnen dabei, Lernschwächen zu erkennen. Dieser Beitrag präsentiert die Architektur des Systems sowie technische Konzepte.

The aim of the research project »Smart Learning in Vocational Training« is to introduce a novel mobile Learning Companion App to support blended-learning in the energy consultant training. Thereby, students can keep track of their indi-vidual predicted knowledge at every point in time and get personalized learning recommendations based on their learning need. A Learning Analytics module helps teachers to get an overview of students’ progress and so be aware of pos-sible weaknesses. This work introduces the main ideas of the overall architecture and technical concepts.

↗ M.SC. CHriStoPHer Krauß ∧ fraunhofer-institut für offene kommunikationssysteme ↗ Prof. Dr. agatHe MerCeron ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ↗ M.SC. truong-SinH an ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ↗ M.SC. Miggi ZwiCKlbauer ∧ fraunhofer-institut für offene kommunikationssysteme ↗ M.SC. Martin DinZiol ∧ hanDwerkskammer Berlin ↗ MiCHael SCHarP ∧ institut für ZukunftsstuDien unD technologieBewertung (iZt)

»Smart Learning« in der beruflichen Bildung

ẞ

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

067einleitungUm weiterzukommen, müssen Berufstä-tige sich fortlaufend informell wie formell weiterbilden. Die Handwerkskammer Berlin bietet eine Vielfalt an formellen Weiterbildungen an. Weiterbildungs-konzepte im Handwerk basieren noch auf Präsenzveranstaltungen, welche mit Vollberufstätigkeit nicht leicht zu verein-baren sind. Das »Smart Learning«-Projekt [ZKM 15] soll den Fortbildungslehrgang Gebäudeenergieberater/-in mit Online-Learning unterstützen. Hierfür werden vielfältige digitale Medien wie Texte, Ani-mationen, Videos, Screencasts etc. erstellt. Praktische Anwendungen mit einem Do-zenten finden in den Präsenzphasen statt. Um die Präsenzen vor- und nachzubereiten, können Lernende mit Hilfe einer neuartigen mobilen Web-App, der Learning Companion App (LCA), online auf das zugreifen, was sie brauchen und wann sie es brauchen.

LCA stellt Lernmaterial bereit und spei-chert Benutzerinteraktionen entsprechend eines vereinbarten Opt-In-Verfahrens. In diesem Sinne funktioniert die App wie ein Lernraumsystem, das auch für mobile Geräte geeignet ist. Allerdings benutzt auch LCA weitere Software-Komponenten wie ein Empfehlungsmodul und ein Learning-Analytics-Modul. Basierend auf

den gespeicherten Interaktionen und den Berechnungen des Lernbedarfs durch das Empfehlungsmodul kann LCA einem Ler-nenden seine Lernfortschritte zeigen und Lernmaterial empfehlen. Diese Besonder-heit der aktiven Führung durch die Lernma-terialien unterscheidet LCA von gängigen Lernraumsystemen. Das Learning-Analytics-Modul wird für Dozenten/Medienhersteller entwickelt. LCA erkennt verschiedene Benutzerrollen. Benutzer mit der Dozenten-rolle können mit LCA einen Überblick über die Lernfortschritte aller Kursteilnehmer erhalten. Dies ist nützlich, um Präsenzen passgenau vorzubereiten. Lerneinheiten (LE) bieten Selbsteinschätzungen der Lern-ziele am Anfang wie am Ende der LE an. Andere geplante Analysen zeigen die Än-derung der Selbsteinschätzungen. Solche Analysen sind für Medienhersteller als Hilfe für Qualitätssicherung gedacht.

Dieser Beitrag ist wie folgt organisiert: Im Hauptteil werden die gesamte Architektur des Systems (siehe Abbildung 1), das Kon-zept der Ermittlung des Lernbedarfs und die Übersicht für Dozenten präsentiert. Die geplanten Fallstudien werden im Fazit erwähnt.

068

arCHiteKturEin Schwerpunkt des Projektes ist, eine wiederverwendbar generische Infrastruktur zu entwickeln, die für verschiedene mobile Geräte sowie verschiedene Institutionen, nicht nur für die HWK Berlin, geeignet ist. Heutzutage verwalten Bildungsinstitutio-nen ihre Benutzer mit einem Lernraumsys-tem. Dies bleibt im vorhandenen System erhalten. Die digitalen Medien werden jedoch nur ein Mal zentral gespeichert und können aus verschiedenen Institutionen zugegriffen werden. Der Lernbegleiter LCA ist eine responsive Webanwendung und spielt im System eine Schlüsselrolle: Für Studierende ist er die Eingangsstelle zu Kursen, digitalen Medien – auch Lernob-jekte genannt –, Zeitplan und Empfehlun-gen. Außerdem löst er das Speichern von relevanten Benutzerinteraktionen aus. Er ist eine responsive Webanwendung, die sowohl auf Computern als auch auf Tablets und Smartphones adäquat dargestellt wird. Darüber hinaus gibt LCA Dozenten Zugang

zu den vom Learning-Analytics-Modul berechneten Dashboards, welche die Fort-schritte der Lernenden visualisieren.

Die Abbildung 1 zeigt die Architektur und den Zusammenhang der Hauptkompo-nenten. Jede Komponente kennt nur die Middleware, welche mit standardisierten Formaten und Schnittstellen mit allen kom-muniziert. Die Lernobjekte samt Metadaten und Kursstruktur sind im Repository ge-speichert. Dabei werden die IMS-Standards beachtet [IMS 16]. Es wurden Editoren ent-wickelt, damit Medienersteller Lernobjekte standardisiert erstellen können und sie mit Metadaten versehen. Entsprechend des vom Nutzer gewählten Opt-In-Verfahrens werden Benutzerinteraktionen in Form von xAPI-Statements [KR 15] in die Users Interaction Database gespeichert und so-wohl von der Recommendation Engine für Empfehlungen als auch von der Learning-Analytics-Komponente benutzt.

Á Abbildung 1: Architektur des gesamten Systems

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

069eMPfeHlungen für lernenDeIn der Recommendation Engine für die Lernempfehlungen wird jeder Teilnehmer mit jedem Lernobjekt und der Zeitinforma-tion verbunden. Dieses User-Item-Time-Triplet wird in einer eigenen Datenbank persistiert. Das Triplet kann wiederum un-terschiedliche Kontext-Faktoren repräsen-tieren, die in ihrer Gesamtheit den Lernbe-darf eines Benutzers für ein Lernobjekt zu einem bestimmten Zeitpunkt repräsentiert. Die Faktoren sowie der Lernbedarf liegen jeweils im Wertebereich [0,1]: 1 repräsen-tiert dabei den höchstmöglichen Lernbe-darf und 0 den geringsten. Aktuell werden die folgenden Faktor-Typen unterschieden:

» Interaktion: Wie viel Prozent eines Lern-objekts wurde im Lernbegleiter angese-hen?

» Bearbeitungszeit: Wie lange hat der Be-nutzer im Vergleich zu den Vorgaben in den Metadaten gebraucht, um das Lern-objekt zu bearbeiten?

» Selbsteinschätzungen für ein Lernobjekt » Wie gut hat der Teilnehmer in den ent-sprechenden Übungen abgeschnitten?

» Vergessenseffekt: Das erlernte Wissen wird nach und nach vergessen, was einen Anstieg des Lernbedarfs zur Folge hat.

» Wie viele Vorbedingungen wurden für dieses Lernobjekt erfüllt?

» Der Lernbedarf steigt, wenn das Lernob-jekt in der nächsten Präsenzveranstal-tung behandelt wird.

» Ist das Lernobjekt prüfungsrelevant? » Kollaboration: Der Lernbedarf der Mitler-nenden wird genutzt, um Fehleinschät-zungen des Teilnehmers zu kompensie-ren.

Á Abbildung 1: LCA-Ansicht Lernbedarf

070

Schlussendlich werden alle Einzelfaktoren (jeweils im Wertebereich [0,1]) gewichtet. Das gewichtete Mittel von allen Faktoren beschreibt den absoluten Lernbedarf eines Teilnehmers für ein Lernobjekt zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Recom-mendation Engine empfiehlt die relevan-testen Lernobjekte, indem die einzelnen Lernbedarfswerte zum gleichen Zeitpunkt verglichen werden. Die Lernobjekte mit dem höchsten Lernbedarf werden in einer Top-N-Liste dem Benutzer präsentiert. Au-ßerdem kann sich der Lernende den Verlauf der Faktoren eines Lernobjekts jederzeit im Lernbegleiter ansehen und somit die Berechnungsgrundlage für die Lernempfeh-lungen nachvollziehen (siehe Abbildung 2). Die Berücksichtigung des Vergessenseffekt-Faktors unterscheidet insbesondere die Vorgehensweise im LCA von anderen Emp-fehlungssystemen in der Bildung (siehe e.g.) [MDV 11].

learning analytiCS für DoZentenWie in der Einleitung beschrieben, soll das Hauptdashboard Dozenten einen Überblick über die Lernfortschritte aller Teilnehmer geben und die Möglichkeit bieten, selbst-tätig gewünschte Einzelheiten anzusehen. In unserem Kontext wird ein Kurs durch mehrere Dozenten betreut; jeder Dozent deckt eine bestimmte Menge Lerneinheiten (kurz LE) ab. Daher soll der Überblick alle LEs darstellen. Ähnlich wie im [DS 12] wird ein Ampelsystem umgesetzt. Jede LE wird mit Hilfe eines Balkens in Rot/Gelb/Grün dargestellt: Rot = Anzahl der Lernenden, welche die LE noch nicht studiert haben, Gelb = Anzahl der Lernenden, welche die LE teilweise studiert haben, Grün = Anzahl

literaturverZeiCHniS[DS 12]: Dollár, A.; Steif, PS.: Web-based

Statics Course with Learning Dashboard for

Instructors. In: Uskov V (Ed) Proceedings

of Computers and Advanced Technology in

Education (CATE 2012), June 25–27 2012,

Napoli, Italy, 2012

[IMS 16]: www.imsglobal.org/activity/

learning-tools-interoperability,

www.imsglobal.org/question/index.html,

www.imsglobal.org/cc/index.html (last ac-

cessed 05.02.2016)

[KR 15]: Kevan, J. & Ryan, P. Experience API:

Flexible, Decentralized and Activity-Centric

Data Collection in Technology, Knowledge

and Learning, Springer Science+Business

Media Dordrecht, 2015, 2211–1662,

10.1007/s10758-015-9260-x

[MDV 11]: Manouselis, N.; Drachsler, H.; Vu-

orikari, R.; Hummel, H. & Koper, R. Recom-

mender systems in technology enhanced

learning Recommender systems handbook,

Springer, 2011

[ZKM 15]: Zwicklbauer, M.; Krauß, C.; Mer-

ceron, A.; Scharp, M.; Kania, J-P.: Smart

Learning: Der digitale Lernbegleiter für die

berufliche Bildung. In: Proceedings of DeLFI

2015, München (Germany), September 1–4

2015, Gesellschaft für Informatik Publisher,

p. 227–232, 2015

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

071

KontaKtProf. Dr. Agathe MerceronBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich VI – Informatik und MedienLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 5105 » [email protected] » prof.beuth-hochschule.de/merceron

Gefördert vom

In KooperatIon mIt

der Lernenden, welche die LE vollständig studiert haben. Das Klicken auf eine LE zeigt alle Lernobjekte dieser LE, die genau-so mit Balken in Rot/Gelb/Grün dargestellt sind. Das Klicken auf einem Lernobjekt, zum Beispiel auf einer Übung, gibt Details über jede Aufgabe der Übung, ebenfalls mit Hilfe von Balken in Rot/Gelb/Grün: Rot = Anzahl der Lernenden, welche die Aufgabe falsch beantwortet haben, Gelb = Anzahl der Lernenden, welche die Aufgabe teil-weise korrekt beantwortet haben, Grün = Anzahl der Lernenden, welche die Aufgabe vollständig korrekt beantwortet haben. Ein Filter erlaubt, den Zeitraum für das Dash-board frei einzustellen.

ZuSaMMenfaSSung Es wurde die Learning Companion App vorgestellt, womit Lernende auf standardi-sierte Learnobjekte überall und jederzeit zugreifen können. Dabei wird jede Nutze-rinteraktion gespeichert und verarbeitet, um das Kenntnisniveau der Lernenden vor-herzusagen, die relevantesten Lernmateri-alien zu empfehlen, und um die gesamten Fortschritte im Kurs mit Hilfe des Learning-Analytics-Modules zu analysieren.

Als nächstes werden im April und Septem-ber 2016 Nutzerstudien mit zwei Kohorten der Handwerkskammer durchgeführt, um das System iterativ anzupassen und zu verbessern. Trotz der Einschränkung der aktuell entwickelten digitalen Medien wer-den damit reelle Verhalten evaluiert: die Performanz von LCA sowie die Akzeptanz der digitalen Medien und der Empfehlun-gen. Außerdem werden Dozenten mit Hilfe der Information des Learning-Analytics-Modules ihre Lehrweise an einen Blended-Learning-Ansatz anpassen. Dieses Modul wird weiterentwickelt, um Dashboards für Medienersteller anzubieten.

DanKSagungWir danken Mona Bärenfänger, Rakesh Chandru, Francois Dubois, Igor Fritsch, Jost Kania, Eileen Manthey, Uwe Maurer und Stefan Müller für Diskussionen. Das diesem Beitrag zugrundeliegende Vorhaben wird mit Mitteln des BMBF, Förderkennzeichen 01PD14002B, gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt liegt bei den Autoren. «

072

Gesundes Altern ist ein zentrales Thema in alternden Gesellschaften. Die Förde-rung von gesundem Altern durch körperliche Fitness erfordert Maßnahmen, die ein gesundes Niveau von körperlicher Aktivität im Alltag ermöglichen. Tragbare Technologien werden am Körper getragen und können nahtlos in den Alltag integriert werden. In diesem Beitrag stellen wir einen innovativen Ansatz zur Förderung von gesundem Altern mit tragbaren Technologien aus dem Projekt »Fitness MOOC« vor – einer Kooperation der Beuth Hochschule und der Geriatrie Forschungsgruppe an der Charité Berlin.

Healthy ageing is one of the key concerns in ageing societies. Supporting healthy ageing through physical fitness requires interventions that promote healthy levels of physical activity as part of daily life. Wearable devices are body-worn and may be seamlessly integrated into daily activities. In this paper we present an innovative approach to promoting healthy ageing with wearable technologies from the project »Fitness MOOC« – a cooperation between Beuth University and the Geriatrics Research Group at Charité Berlin.

↗ Prof. Dr. ilona buCHeM ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich i – Wirtschafts- und gesellschaftsWissenschaften ↗ Prof. Dr. agatHe MerCeron ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich Vi – informatik und medien ↗ Prof. Dr. Joern Kreutel ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich Vi – informatik und medien

Healthy Ageing in the City of the Future: »Fitness MOOC« (fMOOC) – an innovative MOOC design with wearable technologies

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

073

introDuCtionWearable Enhanced Learning (WELL) is be-ginning to emerge as one of the earmarks of the transition from the desktop age through the mobile age to the age of wea-rable, ubiquitous computing [Buc 14]. Wea-rable, body-worn devices are used when the user is moving or engaging in other tasks, for example running or riding [BoDy 99]. Wearables are a convergence of four major trends – mobile computing, internet of things, augmented reality and big data [Ma 15]. The primary purpose of wearables is to provide immediate, directly relevant, contextual information at the point of expe-rience. Recent studies have shown that the percentage of persons tracking fitness data through a smartphone has grown rapidly during the last two years with wearable devices and services enhancing the current trends towards mobile Health and Quanti-fied-Self [Led 14] [Shi 15]. However, as stu-dies point out, currently available fitness trackers have not been able yet to drive long-term, sustained engagement for a majority of users independent of age [LeMc 14]. Some of the key barriers to user enga-gement and health impact include: (a) limi-ted functionalities (for example providing only basic health metrics such as steps and calories), (b) missing activity triggers (for example activity trackers capture data but do not inspire action), and (c) missing me-chanisms for sustained motivation to keep fit [LeMc 14]. One of the key research ques-tions in this area is how to design wearable enhanced systems for habit formation and sustained impact on health.

HealtHy ageingHealth can be defined as a state of phy-sical, mental and social well-being. Ac-cording to the World Health Organization [WHO 46] health is »a complete state of physical, mental and social well-being, and not merely the absence of disease or infirmity« [Bir 05] defines health not as a complete but as a dynamic state of well-being characterized by a physical and men-tal potential. This approach frames health as a set of learnable capabilities which can change in context. Since any person can develop capabilities to live healthy (for example learning how to enhance physical fitness, learning how to deal with stress), healthy ageing can be also viewed as a set of capabilities. Healthy ageing is the process of optimising physical, social and mental health, which enables older people to take an active part in society and to enjoy an independent life [ÅgBe 06]. Geriatric research reveals positive effects of community-based interventions on impro-ved ratings of physical health, reduced me-dication use, improved social interactions, less loneliness and fewer health problems [Coh 06]. Studies on ageing also show that when older persons experience a sense of control, mastery, and meaningful social engagement, positive health outcomes may be observed [Coh 06]. Research in this area indicates that designing learning to promo-te healthy ageing should aim at: (a) promo-ting a sense of physical and psychological well-being, (b) providing opportunities to learn how to live healthy, (c) enhancing social, community-based interactions engagement and (d) promoting a sense of achievement. These considerations inform the conceptual framework of the fitness MOOC – a wearable enhanced learning en-vironment for healthy ageing.

074

ConCePtual fraMeworK The conceptual design of the fitness MOOC combines health, learning and technolo-gy as three distinctive research fields as an interdisciplinary approach [Buc 15a]. The MOOC-approach, i.e. Massive Open Online Course, has been applied to pro-mote social learning of seniors to enhance healthy ageing. Recent developments of MOOCs on platforms such as Coursera, EdX, Udacity, iversity or openHPI , which at-tract thousands of participants, show that MOOCs are an effective means of reaching out to a diversity of users outside of formal education. The fMOOC addresses two key aspects of healthy ageing – social interac-tion and physical activity. Combining both in a MOOC requires a careful conceptual design. The design of the fMOOC is based on the concept of extended Personal Lear-ning Environments [BuPé 14], focusing on a convergence of online and offline inter-

actions into a seamless user experience. The key fMOOC design principles are: (a) blending online and physical learning experience in a hybrid learning environ-ment composed of wearable, mobile and desktop technologies, (b) providing digital content appropriate to the fitness level of individual users, (c) promoting social inter-actions in a community of senior learners, (d) enhancing an enjoyable and motivating learning experience with the help of gami-fication elements and a gameful user inter-face design [Buc 15b] (Figure 1).

arCHiteCture DeSignThe fMOOC architecture design combines wearable, mobile and learning technolo-gies to capture and share fitness data and training content within the community of senior learners. The requirements analysis showed that although the learning platform Moodle enables some key fMOOC functio-

Á Figure 1: Conceptual design of the fitness MOOC (fMOOC)

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

075

nalities, it restrains the intuitive usage and senior-friendly user interface. Therefore a responsive fMOOC user interface was developed independently of Moodle and Moodle was integrated as a backend ser-vice, mainly for content management, in-teraction and communication between the fMOOC participants (Figure 2).

Senior learners access fMOOC via the »fMOOC mobile App« using a laptop, a tablet or a mobile phone. The different functionalities of the software are realized by a number of services, following the idea of a service-oriented architecture (SOA) [Ars 04]. The content service connects to the Learning Management System (LMS) Moodle where the content such as trai-ning plans and exercise videos, is stored. The communication service also uses the communication facilities of LMS Moodle. The tracking service connects with the fit-

ness tracking data service of the wearable devices to retrieve appropriate data such as the number of steps as measured by an activity tracker. The learning analytics mo-dule displays an overview of their fitness data to learners including the exercises of the training plans they have completed. This module makes use of the interactions data stored by Moodle and by the weara-ble devices (fitness trackers). The fMOOC software includes a gamification service to incorporate rewards and playful elements including badges and battles to enhance user engagement [Buc 15b].

interfaCe DeSignThe fMOOC user interface was designed to be accessible for older users (aged 65+) making use of the key usability principles from multidisciplinary usability research, for example psychology, computer science, economic studies, engineering [Buc 15a].

Á Figure 2: The fMOOC architecture

076Beyond accessibility, the fMOOC interface design aims at adding value and increasing the aesthetic appeal of fMOOC to enhance user engagement. Senior users experience a number of sensorial, physical and cogni-tive changes such as (a) visual changes, for example decrease in colour perception and contrast sensitivity, (b) acoustic changes, for example difficulties in hearing with distracting background noises, (c) tactile changes, for example decreasing fine motor skills and sense of touch, (d) information processing changes, for example more time for information processing is needed, dif-ficulties in localizing objects and remembe-ring non-verbal elements, poorer memory for spatial tasks [Wir 09]. Therefore the key design principles for the fMOOC interface are: (a) text characteristics, for example larger fonts and high-contrast elements, (b) navigation characteristics, for example

uniform navigation menus, few navigation layers (reduction of complexity), language characteristics, for example clear labels in German language avoiding English words such as »log-in«, (c) task characteristics, for example clear structure and instructions making every step easily recognisable, (d) feedback characteristics, for example easily recognisable feedbacks of success or fai-lure of every user action. Figure 3 provides different views of the fMOOC user interface.

uSer StuDy The functional prototype of the fMOOC was tested in 2015 with 20 senior volunteers aged 62 to 75 (50 percent male, 50 percent female). All study participants first took part in an introductory workshop to the fMOOC at Charité (see pre-test in Figure 1). The workshop included the demonstration of the fMOOC app and the wearable activity

Á Figure 3: The fMOOC interface

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

077tracker, followed by a medical consultation providing a baseline testing of the overall physical fitness. Based on the results of the initial medical test, a personal training plan with a combination of strength and endu-rance training exercises and integrated rest periods was composed for each individual learner depending on the measured fitness level (levels 1, 2, 3). The study participants were provided with smartphones and fitness trackers for the 4 weeks duration of the MOOC (see middle part in Figure 1). Seniors learned and interacted online and at the same time performed physical exercises such as strength training, walking and jogging in physical settings. To com-plete all physical activities of the fMOOC, a user should log in every day to synchronize the activity tracker, engage in training ac-cording to the personal training plan and in social interaction activities with other senior learners. Synchronising steps in the activity tracker was a necessary condition for the fMOOC software to pull data and visualise progress. Different types of data were collected during this study using a va-riety of instruments, i.e. (a) activity tracking data (for example changes in the number of steps made), (b) learning data (for ex-ample use of the interface and engagement with training materials), and (c) social interaction data (for example commenting, rating). Psychological and learning effects focusing on (a) orientation and motivation, (b) embodied learning experience, and (c) social engagement and enjoyment, as well as usability aspects have been investigated by means of surveys and validated psy-chometric measurements (for example the R11 resilience scale) conducted during the workshop following the course (see post-test in Figure 1). Data related to changes in health was obtained repeating the medical consultation of the pre-test.

reSearCH reSultSThe survey data indicated that the study participants were computer-savvy with 86 percent using computers frequent-ly. The analysis of the login data which showed that users logged in the fMOOC app frequently during the user study with a median of 44 times per person during the 4 weeks of the course, i.e., half of the learners logged in more than 1,5 time a day on average. A high number of synchronisa-tions of the fitness tracker (on average 32 times per week per person) were performed as sequential actions, for example the syn-chronize button was often pressed twice in a row, which may indicate problems with synchronizing the activity tracker especially during the first week of the course. An in-spection of the weekly data showed that only two users out of the 20 gave up after two weeks. The badges earned in the cate-gory »training« and »steps« assessed whe-ther participants accomplished the training properly and included enough movement in their daily life. In total 70 percent of the »training badges« and 89.5 percent of the »step badges« were earned. Most of the users rated the training after completing, following the design adopted for the inter-face. In total 101 ratings were given for each of the two questions: »How do you feel after training?« (wellbeing-rating, scale 0 »great« to 2 »bad«), and »How did you like the training?« (satisfaction-rating, scale 0 »poor« to 4 »excellent«). In total 66 percent of the wellbeing-ratings were »great« and 72 percent of the satisfaction-rating was »excellent«. In relation to social interaction every user wrote at least one comment as part of online discussion and in total 20 badges for writing at least two posts were earned by users. Interestingly, participants wrote more own posts than liked posts written by others. The fMOOC battle com-

078literaturverZeiCHniS[ÅgBe 06]: Ågren, G. & Berensson, K. (2006).

Healthy Ageing: A Challenge for Europe. The

Swedish National Institute of Public Health.

[Ars 04]: Arsanjani, A. (2004). Service-oriented

modeling and architecture. IBM developer

works, 1–15.

[Bir 05]: Bircher, J. (2005). Towards a dynamic

definition of health and disease. Medial Health

Care, 335–41.

[BoDy 99]: Bowskill, J., & Dyer, N. (1999). Wea-

rable Learning Tools. Association for Learning

Technology Journal, 7(3), 44–51.

[Buc 14]: Buchem, I., Klamma, R. & Wild, F.

(2014). Special Interest Group on Wearable-

technology Enhanced Learning (SIG WELL) of the

European Association of Technology-Enhanced

Learning (EA-TEL).

[Buc 15a]: Buchem, I., Merceron, A., Kreutel,

J., Haesner, M., Steinert, A. (2015a). Wearable-

technology Enhanced Learning for Healthy

Ageing: Conceptual Framework and Architecture

of the »Fitness MOOC«. Journal of Interaction

Design and Architectures, Focus Section on

Innovative Designs with Social, Mobile and

Wearable Technologies for Creative Teaching and

Learning, 2015.

[Bus 15b]: Buchem, I., Merceron, A., Kreutel, J.,

Haesner, M. & Steinert, A. (2015b). Designing for

User Engagement in Wearable Enhanced Lear-

ning for Health Ageing. Proceedings of the iLRN

Conference 2015, Prague, Czech Republic.

[BuPé 14]: Buchem, I. & Pérez-Sanagustín, M.

(2014). Personal Learning Environments in Smart

Cities: Current Approaches and Future Scenari-

os. eLearning Papers, 35, November 2013.

[Coh 06]: Cohen, G. D., Perlstein, S., Chapline,

J., Kelly, J., Firth, K. M., & Simmens, S. (2006).

The impact of professionally conducted cultural

programs on the physical health, mental health,

and social functioning of older adults. Geronto-

logist, 46, 726–734.

[LaWi 07]: Law, I. & Widdows, H. (2007). Con-

ceptualising health: Insights from the capability

approach. Health Care Analysis. University of

Birmingham.

[Led 14]: Ledger, D. (2014). Inside Wearables –

Part 2. A look at the uncertain future of smart

wearable devices, and five industry develop-

ments that will be necessary for meaningful

mass market adoption and sustained engage-

ment. Endeavour Partners LLC.

[LeMc 14]: Ledger, D. & McCaffrey, D. (2014).

Inside Wearables How the Science of Human

Behavior Change Offers the Secret to Long-Term

Engagement. Endeavour Partners LLC.

[Mar 15]: Marzec, A. (2015). The truth about

wearables: What they are (and aren’t). Deloitte

Digital.

[Shi 15]: Shih, P. C., Han, K., Poole, E. S., Ros-

son, M. B. & Carroll J. M. (2015). Use and adop-

tion challenges of wearable activity trackers.

Proceedings of the iConference 2015.

[WHO 46]: WHO (1946). Preamble to the Consti-

tution of the World Health Organization as adop-

ted by the International Health Conference, New

York, 19–22 June 1946.

[Wir 09]: Wirtz, S., Jakobs, E.-M., Ziefle, M.

(2009). Age-specific usability issues of software

interfaces. Proceedings of the IEA 2009 – 17 th

World Congress on Ergonomics, Beijing, China.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

079

KontaKtProf. Dr. Ilona BuchemBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich I – Wirtschafts- und Gesell-schaftswissenschaftenLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 5243 » [email protected] » prof.beuth-hochschule.de/buchem/projekte/fmooc

Gefördert vom

BeIratsmItGlIeder

In KooperatIon mItIm rahmen vom

pares the number of steps achieved by the group of female users with the number of steps achieved by the group of male users. In total users viewed the battle results by touching the button »show competition« about 18 times per week per person. The interest in looking at the competition re-mained unchanged during the entire study, indicating that »battle« as a gamification element was the most liked element of the fMOOC app. The comparison of pre-test and post-test results showed that all parti-cipants improved their physical condition and that this improvement was statistically significant.

ConCluSionSThe results of the user study showed that the fMOOC system was accepted and rated as »easy to use« by senior learners. The fMOOC study shows that senior users lear-ned to exercise more in a sound manner and enjoyed the trainings and interactions with others. Most important, fMOOC parti-cipants improved their physical condition. On the basis of these findings and given the scalable service-oriented design of the system architecture the current prototype is principally ready to be enhanced and deployed as a Massive Open Online Course (MOOC).

aCKnowleDgMentThe study was supported by the German Ministry of Research and Education (BMBF) as part of IKT2020-MTI/BW program (ICT for demographic change), grant agree-ment 16SV7099K. We would like to thank our cooperation partner Charité Berlin, our advisory board members (i.e. Garmin Deutschland GmbH, Techniker Krankenkas-se, BAGSO Service GmbH, welldoo GmbH, Smart Patient GmbH) and all senior partici-pants in both user studies in 2015. «

080

In diesem Artikel wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem mit Hilfe der zufälligen Zeitvarianz eines bidirektionalen freistrahloptischen Kommunikationskanals durch Luftturbulenzen fortlaufend ein geheimer Schlüssel erzeugt und gleichzei-tig an zwei Parteien verteilt wird. Dieser Turbulenzschlüssel kann dazu genutzt werden, um auch über öffentliche Netze wie das Internet eine abhörsichere Kom-munikation zwischen zwei Partnern zu etablieren.

In this article a technique is introduced by which the random time variance of a bidirectional free-space optical communication channel caused by air turbulence is exploited to continuously generate a secret key and distribute it to two parties. This turbulence key may be used to establish secure communication between two partners even over public networks like the Internet.

↗ M.SC. JaSPer röDiger ∧ fraunhofer-institut für nachrichtentechnik, heinrich-hertZ-institut, hhi ↗ Dr.-ing. niColaS Perlot ∧ fraunhofer-institut für nachrichtentechnik, heinrich-hertZ-institut, hhi ↗ Prof. Dr.-ing. MiCHael roHDe ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich Vii – elektrotechnik, mechatronik, optometrie

Freistrahloptische Turbu-lenzschlüsselverteilung

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

081

einleitungIn Beiträgen zum Research Day 2015 haben HHI und Beuth HS aktuelle gemeinsame Forschungsansätze auf dem Gebiet der frei-strahloptischen Kommunikationstechnik (FSO-Technik) vorgestellt, wobei der Fokus auf der Erhöhung von Geschwindigkeit und Reichweite optischer Richtfunkstrecken lag [Roh 15a, Roh 15b]. Im Rahmen dieser For-schungskooperation ist nun mit der Krypto-grafie ein weiterer Aspekt der FSO-Technik in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Abhörsichere Kommunikation ist in der mo-dernen Welt ein wichtiges Thema. Am wei-testen verbreitet sind asymmetrische kryp-tografische Verfahren (zum Beispiel RSA [Riv 78]), deren Sicherheit darauf basiert, dass es sehr rechenaufwendig ist, eine Nachricht ohne einen geheimen Schlüssel zu entschlüsseln. Die immer weiter fort-schreitende Computertechnologie führt jedoch dazu, dass die Entschlüsselung die-ser Verfahren durch Dritte immer schneller möglich ist. Die Forschung an Quantencom-putern lässt befürchten, dass, sobald diese nutzbar sind, die Entschlüsselungszeit nochmals sehr stark schrumpfen wird. Somit ist die Sicherheit dieser Verfahren in der Zukunft ungewiss.

Abhilfe schafft das sogenannte One-Time-Pad (OTP), also ein völlig zufälliger Schlüs-sel, der genauso lang ist wie die zu versen-dende Nachricht, der nur einmal verwendet werden darf und der nur Sender und Empfänger bekannt ist. Eine mit einem OTP verschlüsselte Nachricht kann dann über einen öffentlichen Kanal geschickt werden.

Die Nachricht kann ohne das OTP nicht entschlüsselt werden, unabhängig von der verfügbaren Rechenleistung und davon, ob ein Quantencomputer zur Verfügung steht. Die Benutzung eines OTP ist damit bedin-gungslos sicher.

Ein intensiv in der Forschung diskutiertes Verfahren zur Verteilung eines solchen OTP ist die sogenannte Quantum Key Distribution (QKD). Hierbei werden die Quanteneigenschaften einzelner Photonen zur Verteilung eines OTP benutzt, das nur Sender und Empfänger bekannt sein kann [Ben 84]. Der Nachteil von QKD-Verfahren ist, dass die benötigten Komponenten (ins-besondere die Detektoren) sehr teuer sind und die Handhabung schwierig ist.

Der vorliegende Artikel behandelt ein neu-artiges Verfahren, welches verspricht, güns-tiger und einfacher realisierbar zu sein als QKD und ebenso die Erzeugung und Vertei-lung eines abhörsicheren Schlüssels, des Turbulenzschlüssels (englisch: turbulence key, TK), ermöglicht. Dieses Verfahren wird im Folgenden Turbulenzschlüsselverteilung (englisch: turbulence key distribution, TKD) genannt.

Die Idee hierbei ist, dass zwei Kommunika-tionspartner eine Observable des gleichen turbulenten Freistrahlkanals messen und daraus den abhörsicheren TK destillieren. Im Folgenden sollen die Anforderungen und das Potenzial von TKD genauer beleuchtet werden.

082PrinZiP Der turbulenZ-SCHlüSSelverteilung (tKD)Die Idee, die Zufälligkeit eines physika-lischen Kommunikationskanals für die Kryptografie zu nutzen, ist nicht neu. Zum Beispiel wird in der Radiokommunikation der Radiokanal als Zufallsquelle verwen-det, wobei der Kanal sich abhängig von der Position von großen Objekten wie Autos verändert [Aon 05, Her 95, Mat 08]. Auch in der optischen Kommunikation kann die zufällige Veränderung des optischen Pha-senwinkels in einer Glasfaser [Kra 13] oder auch in einem Freistrahlkanal [Dra 13] zum Erzeugen und Verteilen eines geheimen Schlüssels genutzt werden.

Neu an der Idee von TKD ist die Nutzung des Effektes, dass Luftturbulenz in einem Freistrahlkanal die Phasen und Amplituden

des optischen Feldes in zufälliger Weise ändert.

Um daraus bei beiden Kommunikations-partnern (Alice und Bob) einen identischen geheimen TK zu generieren, müssen zwei Anforderungen erfüllt werden:

» Der freistrahloptische Kanal muss rich-tungsunabhängig sein (Reziprozität).

» Das Signal darf nicht abgehört werden können, um den TK nachzubilden.

Reziprozität für das Übertragen durch einen Freistrahlkanal mit Kopplung in Einmoden-faser (SMF, Single Mode Fiber) wurde in [Sha 12] theoretisch bewiesen.

Ein möglicher Aufbau (siehe Abbildung 1) wird im Folgenden diskutiert. Es werden

Á Abbildung 1: Beispiel für ein Paar TKD-Terminals. Die Turbulenz kann als Ansammlung von Turbu-

lenzzellen verschiedener Brechungsindizes und Größe dargestellt werden, an denen Strahlen abge-

lenkt werden. Gelangen Teilstrahlen nicht von einem Terminal zum anderen (gestrichelte Pfeile), wird

das gemessene Signal abgeschwächt. Nur Teilstrahlen von Alice und Bob, die sich gegenläufig überla-

gern, tragen zu der gemessenen optischen Leistung bei. So werden identische Signale aufgenommen.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

083

zwei FSO-Terminals benötigt, zwischen denen eine Sichtlinie besteht. Eines der Terminals entspricht dabei Alice, das an-dere Bob. Beide senden nun einen aus einer SMF ausgekoppelten Laserstrahl mit konstanter Intensität. Die Wellenlänge beider Strahlen muss hierbei gleich oder sehr ähnlich sein, da die Turbulenz nichts anderes ist als eine zufällige Änderung der Lichtbrechung und damit prinzipiell von der Wellenlänge abhängt. Alice und Bob koppeln den ankommenden Strahl wieder in die SMF ein.

Das Sendefeld und das Empfangsfeld werden in eine weitgehend identische SMF geführt. Dadurch ergibt sich eine ef-fektive Überlagerung des Empfangsstrahls mit einer zweidimensionalen räumlichen Feldfunktion (dem Grundmodus der SMF), die der Feldfunktion des Sendestrahls

entspricht. Die Leistungsmessung dieses verarbeiteten Empfangsfeldes an beiden Enden führt zur Aufnahme von zwei identi-schen Signalen.

Das Trennen beziehungsweise Zusammen-fügen der bidirektionalen Felder (Duple-xing) kann zum Beispiel durch den Einsatz von Zirkulatoren bewerkstelligt werden.

Die sich ändernde Turbulenz in der Luft sorgt dafür, dass in jedem Zeitpunkt eine unterschiedliche Anzahl von Teilstrahlen mit unterschiedlichen optischen Phasen-winkeln in die Sende-Empfangs-Aperturen gelangt und somit eine Änderung der opti-schen Leistung messbar wird.

Reziprozität über eine Distanz L ist nur garantiert, wenn die Felder von Alice und Bob sowie das Turbulenzbrechungsindex-

Á Abbildung 2: Versuch von Eve, Informationen über den TK zu bekommen. Sie müsste Betrag und

Phase der überlappenden Felder in einer Schnittfläche (gestrichelt dargestellt) ausmessen, um Infor-

mationen über den Schlüssel zu erhalten.

084feld über die Dauer L / c zeitinvariant sind, wobei die Lichtgeschwindigkeit c etwa 300 km/ms beträgt. Alice und Bob senden unmodulierte Strahlen (CW Laser) und Turbulenzen ändern sich auf ms-Zeitskalen [Gig 12]. Alice und Bob »sehen« also die-selben Turbulenzen, wenn beide maximal zirka 100 Kilometern voneinander entfernt sind. Wird die Entfernung größer, ist eine plötzliche Veränderung der Kanaleigen-schaften auf einer Seite nicht mehr quasi »gleichzeitig« beobachtbar und die Leis-tungsmessungen sind nicht mehr korreliert.

Die maximale Schlüsselrate für TKD liegt im kHz-Bereich und ist ebenfalls durch die Änderungsgeschwindigkeit der Turbulenz begrenzt. Je nach Korrelation der Leistungs-messungen von Alice und Bob können evtl. auch mehrere TK-Bits aus einem einzelnen Leistungsmesswert destilliert werden.

Wenn nun eine Spionin, genannt Eve, In-formationen über den Schlüssel erbeuten möchte, braucht sie Informationen über den gesamten Kanal, den Alice und Bob verwendet haben. Das wäre trivialerweise zu bewerkstelligen, wenn sie einen De-tektor an denselben Orten hätte wie Alice und Bob. Da davon ausgegangen werden kann, dass Alice und Bob ihre Terminals unter Kontrolle haben (ansonsten wäre jeder Versuch, sicher zu kommunizieren, aussichtslos), kann Eve diese Möglichkeit normalerweise nicht nutzen. Die einzige Alternative wäre, die optischen Felder von Alice und Bob in einer Schnittfläche des Ka-nals nach Betrag und Phase auszumessen. Wegen der Divergenz der Laserstrahlen wären dafür aber sehr große Optiken nötig, die sich innerhalb des freistrahloptischen Kanals befinden müssten, weshalb auch diese Möglichkeit weitgehend ausgeschlos-sen werden kann.

faZit unD auSbliCKEs wurde dargelegt, dass Turbulenzschlüs-selverteilung (TKD) eine einfach zu imple-mentierende Methode ist, um gleichzeitig an zwei Orten einen abhörsicheren Schlüs-sel zu erzeugen. Bei einer Schlüsselrate im kHz-Bereich kann die Entfernung zwischen den Kommunikationspartnern bis zu zirka 100 Kilometern betragen. Der Turbulenz-schlüssel (TK) kann beispielsweise ver-wendet werden, um auch über öffentliche Netze eine abhörsichere Kommunikation zu gewährleisten.

Interessant ist das TKD-Verfahren für die sichere Kommunikation zwischen unbe-weglichen Terminals, aber auch zwischen Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder Drohnen. Dies ist zum Beispiel für Banken, Firmen oder Regierungen interessant, die mehrere Standorte über Entfernungen unter 100 Kilometern sicher miteinander verbinden möchten, also zum Beispiel innerhalb einer Großstadt oder zwischen benachbarten Städten. Ist mindestens eines der Terminals mobil, erhöht sich die Änderungsrate der Turbulenz über den Link je nach Geschwindigkeit des oder der Terminals. Dies schränkt zwar die Reich-weite des Verfahrens ein, ermöglicht aber gleichzeitig eine höhere Schlüsselrate. Es sind zum Beispiel Anwendungsszenarien denkbar, in denen eine mobile Einheit »im Vorbeifahren/-fliegen« einen geheimen Schlüssel mit einem stationären oder anderen mobilen Terminal generiert, der dann später auch über größere Distanzen benutzt werden kann.

Mit Hilfe einer derzeit im Aufbau befindli-chen FSO-Versuchsstrecke zwischen HHI und Beuth HS wollen die Verfasser in naher Zukunft die Praktikabilität des TKD-Verfah-rens nachweisen. «

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

085

KontaKtProf. Dr.-Ing. Michael RohdeBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich VII – Elektrotechnik, Mechatronik, OptometrieLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 2906 » [email protected] » prof.beuth-hochschule.de/rohde

literaturverZeiCHniS[Aon 05]: T. Aono, K. Higuchi, T. Ohira, B. Ko-

miyama, and H. Sasaoka, »Wireless secret key

generation exploiting reactance-domain scalar

response of multipath fading channels«, Anten-

nas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.

53, no. 11, pp. 3776–3784, 2005

[Ben 84]: H. Bennett Ch and G. Brassard, »Quan-

tum cryptography: public key distribution and

coin tossing int« in Conf. on Computers, Systems

and Signal Processing (Bangalore, India, Dec.

1984), 1984, pp. 175–9

[Dra 13]: M. D. Drake, C. F. Bas, D. Gervais, P. F.

Renda, D. Townsend, J. J. Rushanan, J. Francoeur,

N. Donnangelo, and M. D. Stenner, »Optical key

distribution system using atmospheric turbu-

lence as the randomness generating function:

classical optical protocol for information assu-

rance«, Optical Engineering, vol. 52, no. 5, pp.

055008–055008, 2013

[Gig 12]: Giggenbach, D., Cowley, W., Grant, K.,

& Perlot, N. (2012). »Experimental verification of

the limits of optical channel intensity reciproci-

ty«, Applied optics, 51(16), 3145–3152

[Her 95]: J. E. Hershey, A. Hassan, R. Yarlagadda

et al., »Unconventional cryptographic keying

variable management«, Communications, IEEE

Transactions on, vol. 43, no. 1, pp. 3–6, 1995

[Kra 13]: K. Kravtsov, Z. Wang, W. Trappe, and P.

R. Prucnal, »Physical layer secret key generation

for fiber-optical networks«, Optics express, vol.

21, no. 20, pp. 23756–23771, 2013

[Mat 08]: S. Mathur, W. Trappe, N. Mandayam, C.

Ye, and A. Reznik, »Radio-telepathy: extracting

a secret key from an unauthenticated wireless

channel«, in Proceedings of the 14th ACM inter-

national conference on mobile computing and

networking. ACM, 2008, pp. 128–139

[Riv 78]: R. L. Rivest, A. Shamir, and L. Adleman,

»A method for obtaining digital signatures and

public-key cryptosystems«, Communications of

the ACM, vol. 21, no. 2, pp. 120–126, 1978

[Roh 15a]: M. Rohde, N. Perlot: »Freistrahlop-

tische Kommunikation, Free Space Optical

Communication (FSO)«, Research Day 2015,

Stadt der Zukunft, Tagungsband, 21. April

2015, Beitrag für den Bereich »Medien & Kom-

munikationstechnologien«, S. 120–124, ISBN

978-3-86387-595-4

[Roh 15b]: M. Rohde, N. Perlot: »Freistrahlop-

tische Kommunikation, Free Space Optical

Communication«, Research Day 2015, Stadt

der Zukunft, Tagungsband, 21. April 2015, Bei-

trag zur Poster Session im Bereich »Medien &

Kommunikationstechno-logien«, S. 145, ISBN

978-3-86387-595-4

[Sha 12]: J. H. Shapiro and A. L. Puryear,

»Reciprocity-enhanced optical communication

through atmospheric turbulence –part i: Reci-

procity proofs and far-field power transfer opti-

mization«, Journal of Optical Communications

and Networking, vol. 4, no. 12, pp. 947–954,

2012

086

Drei aus der Literatur bekannte Krümmungsberechnungsalgorithmen der diskre-ten Differentialgeometrie werden hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für die Form-analyse facettierter Oberflächen untersucht. Durch eine Modifikation können zwei dieser Verfahren den Anforderungen von CAD-Systemen, die auf Freiform-modellierung spezialisiert sind, angepasst werden.

Three curvature evaluation methods known from literature on discrete differen-tial geometry are investigated with focus on their applicability for mesh analysis in the field of free form surface design. By a modification, two of them can be ad-apted to the needs of CAD systems which are specialized on free form modeling.

↗ Prof. Dr. rer. nat. ute wagner ∧ Beuth-hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich ii – mathematik, physik, chemie ↗ tHoMaS rauSCH ∧ autoDesk gmBh hannover1

Analyse diskreter Krümmungen in der Frei-formflächenmodellierung

Á Abbildung 1: Flächen in schattierter Darstellung

nach Phongschem Beleuchtungsmodell

Á Abbildung 2: Flächen mit visualisierter

Gaußscher Krümmung

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

087

einleitungDer Bereich des technischen Designs bildet einen wichtigen Bestandteil der Prozess-kette in der virtuellen Produktentstehung. Dabei eingesetzte CAD-Systeme2 sind auf die Freiformflächenmodellierung speziali-siert und unterstützen insbesondere den grafisch-interaktiven Entwurf nach ästheti-schen Gesichtspunkten. Neben Funktionali-täten zur effektiven und weitestgehend be-schränkungsfreien Oberflächengestaltung stehen assoziative Diagnosewerkzeuge zur Beurteilung der Güte der erzeugten Flä-chenform zur Verfügung. So können etwa mittels Farbdarstellungen von Krümmungs-werten zu flache oder zu wellige Flächen-stücke erkannt werden (siehe Abbildung 2).

Als grundlegende mathematische Beschrei-bungen von Freiformflächen haben sich Bézier- und NURBS3-Repräsentationen etabliert. Für diese hinreichend oft stetig differenzierbaren Parameterdarstellungen können geometrische Invarianten wie die Gaußsche und die mittlere Krümmung mit den Methoden der klassischen Differenti-algeometrie berechnet werden. Durch die Integration von 3D-Scan- und -Drucktech-nologien sowie von Simulationsverfahren auf Basis von FEM4 in Produktentwicklungs-zyklen spielen zunehmend auch Facetten-modelle, die die Oberfläche dreidimensi-onaler Objekte in Form von Polygonnetzen beschreiben, bei der Freiformmodellierung eine Rolle. Auch Unterteilungsalgorithmen5,

1 Die Autoren danken der Firma Autodesk GmbH für die softwaretechnische Unterstützung dieser Forschungsar-beit.

2 CAD – computer aided design3 NURBS – non uniform rational B-Spline, siehe zum Bei-

spiel [PBP 02]4 FEM – Finite-Elemente-Methoden5 Subdivision Surfaces, siehe beispielsweise [AnSt10]

die heutzutage nicht nur in der Compu-tergrafik, sondern verstärkt in Software-werkzeugen für das konzeptionelle Design eingesetzt werden, erzeugen Polygondaten.

Das relativ junge Forschungsgebiet der diskreten Differentialgeometrie (DDG) be-schäftigt sich mit der Entwicklung eines dif-ferentialgeometrischen Kalküls für polygo-nale Netze. So können Krümmungsbegriffe ausschließlich abhängig von Polygonpunk-ten, Normalenvektoren, Winkeln, Kanten-längen und Polygonflächeninhalten defi-niert werden. Dazu gibt es verschiedene Ansätze, die beispielsweise in [MaSoRi07] kategorisiert und bezüglich Genauigkeit und Berechnungsaufwand miteinander ver-glichen werden. Drei in [MaSoRi07] als vor-teilhaft beschriebene Verfahren werden in dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Verwendbar-keit für die assoziative Krümmungsanalyse facettierter Oberflächen in CAD-Systemen zur grafisch-interaktiven Freiformmodellie-rung untersucht. Durch eine Modifikation der Menge der in die Berechnung einbezo-genen Polygonpunkte können zwei dieser Verfahren auf die speziellen Anforderungen dieser CAD-Systeme angepasst werden.

088

MetHoDen Zur bereCHnung DiSKreter gauSSSCHer unD Mittlerer KrüMMungFür eine orientierte, zweimal stetig differen-zierbare Fläche F sind die Gaußsche und die mittlere Krümmung in einem Flächen-punkt P folgendermaßen definiert: Seien n der normierte Normalenvektor der Tangen-tialebene in P,

ein lokales kar-tesisches Koordinatensystem und

i

ein in P angehefteter Einheitsvektor der Tangentialebene. Die Krümmung der Schnittkurve zwischen F und der von n und t in P aufgespannten Ebene ist die Normal-krümmung kn zur Richtung t, für die nach dem Satz von Euler gilt:

ii

mit einer quadratischen Matrix M, die durch die 2. Fundamentalform von F be-stimmt ist. Die beiden reellen Eigenwerte k1, k2 von M sind die Werte extremaler Normalkrümmung zu allen Richtungen t der Tangentialebene in P.6 Die Zahl

iii

wird Gaußsche Krümmung, die Zahl

iv

wird mittlere Krümmung genannt. [DoC76]

6 Die Eigenwerte k1 und k2 heißen Hauptkrümmungen, die zugehörigen normierten Eigenvektoren sind die Haupt-krümmungsrichtungen im Punkt P.

In der DDG wird statt F ein die Fläche approximierendes Polygonnetz als Grund-lage genommen. Jedem Knoten v des Netzes werden ein Punkt P der Fläche F 7, die Menge Ev der von diesem Knoten ausgehenden Kanten und die Menge Fv der Polygone, denen dieser Knoten ange-hört, zugeordnet.8 Wie in [AnSt10] für ein logisches Netz definiert, sind dabei eine Kante ein ungeordnetes Paar zweier nicht identischer Knoten und ein Polygon ein nf -Tupel paarweise verschie-dener Knoten, das mit einer Kantenmenge

verknüpft ist.

Betrachtet wird ein Knoten v, der von einem geschlossenen Ring regulärer Dreiecksfa-cetten umgeben ist, das heißt, jede Kante

gehört zu genau zwei Polygonen aus Fv und für jedes Element gilt: nf = 3 und der Flächeninhalt von f ist größer als ein festes ε (> 0).

Um die diskrete Gaußsche und mittlere Krümmung in v zu bestimmen, benötigt man die Nachbarknoten von v, die den so-genannten 1-Ring von v bilden:

Es ist 1-Ring(v) die Menge aller Knoten w, für die es eine Kante mit gibt.

7 Im Folgenden wird vereinfachend nur noch vom Knoten v gesprochen, wenn der Knoten v oder der Punkt P gemeint ist. Entsprechend werden unter die topolo-gischen Begriffe Kante und Polygon die zugehörigen geometrischen Objekte (Linien- beziehungsweise Flä-chenstück) mit gefasst.

8 Die Bezeichnungen orientieren sich an den englischen Begriffen vertex (Knoten), edge (Kante), face (Polygon).

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

089Es wird davon ausgegangen, dass zu dem Knoten v ein eindeutig bestimmter, normierter Normalenvektor n vorhanden ist. Dieser ist entweder von vornherein gegeben, zum Beispiel falls die Parame-terdarstellung der Fläche F bei Erzeugung des Netzes bekannt war und die Normalen-vektoren in den Knotenpunkten evaluiert worden sind, oder wird in einem initialen Schritt durch ein Mittelungsverfahren aus den umgebenden Polygonen des Knotens berechnet (zum Beispiel nach [KiKi09]).

variante a) SCHätZung von norMalKrüMMungenGemäß [WaBe01] wird jeder zu v benach-barte Knoten in die durch den Normalen-vektor n in v festgelegte Tangentialebene orthogonal projiziert. Man erhält so für jedes 1-Ring(v) eine Tangentenrichtung t, indem man den Differenzvektor zwischen dem projizierten Punkt und v normiert. Die Normalkrümmung kn zur Richtung t kann aus dem Kreis k, der durch v und w tangential zu t in der von t und der Kante e = {v,w} in v aufgespannten Ebene ver-läuft, geschätzt werden: kn = 1/r, wobei r der Radius des Kreises k ist. Für t können die Koordinaten t1 und t2 bezüglich eines gewählten Koordinatensystems K (verglei-che (i)) ermittelt werden. Einsetzen von t1, t2 und kn für jedes 1-Ring(v) in (ii) ergibt ein lineares Gleichungssystem für die Ele-mente der Matrix M, das sich exakt oder bestmöglich9 lösen lässt, wenn mindestens drei der Richtungen t vorhanden und linear unabhängig sind. Die Gaußsche Krümmung G und die mittlere Krümmung H berechnen sich dann nach (iii) und (iv) aus den Ele-menten der Matrix M.

9 Mit Gaußscher Methode der kleinsten Fehlerquadrate (least square fitting), siehe zum Beispiel [SchwKö09]

variante b) ParaboloiD fittingUm die Gaußsche und die mittlere Krüm-mung in einem Knoten v aus einer die Fläche F in der 1-Ring-Umgebung von v approximierenden Paraboloidfläche zu schätzen, werden für alle Knoten 1-Ring(v) die Koordinaten (x,y,z) bezüglich eines lokalen Koordinatensystems K (siehe (i)) ermittelt und in die Gleichung einer Quadrik z = ax2 + bxy + cy2 eingesetzt. Es entsteht ein (überbestimmtes) lineares Gleichungssystem (vergleiche A)), aus dem die Koeffizienten a, b, und c und daraus die Krümmungswerte G = 4ac – b2 und H = a+c ermittelt werden [Ha93].

variante C) gauSS-bonnetIn [MDSB02] erfolgt eine detaillierte Herlei-tung von Formeln für die Gaußsche Krüm-mung aus dem Satz von Gauß-Bonnet und für die mittlere Krümmung aus der Theorie der Minimalflächen, die im Falle eines Po-lygonnetzes zu einfachen Berechnungsvor-schriften führen:

und

Darin ist A ein nach einem in [MDSB02] angegebenen Algorithmus zu berech-nender Teilflächeninhalt der v umge-benden m Dreiecke f1,…, fm, wobei fi und fi+1 die Kante {v, wi} gemeinsam haben, und es bezeichnen αi, βi und γi die In-nenwinkel des Dreiecks fi an den Kno-tenpunkten v, wi-1 beziehungsweise wi (i=1,…,m; fm+1 := f1 , w-1 := wm).

090

ProbleMeDie vorgestellten Berechnungsmethoden gehen davon aus, dass jeder Knoten von einem geschlossenen Ring von Facetten umgeben ist. Wird diese Voraussetzung ignoriert, erhält man fehlerhafte Ergeb-nisse. Wie in den Abbildungen 3 und 4 zu erkennen ist, hat das Entfernen einzelner Dreiecke aus der Facettierung eines Torus in Variante C) deutliche Auswirkung auf die Genauigkeit der berechneten Gaußschen Krümmung, während die Varianten A) und B) demgegenüber relativ robust sind, solange die Koeffizientenmatrix des Glei-chungssystems nicht singulär wird (dies ist der Fall am Rand des Netzes in Abbildung 4). Als Ausweg könnte gesehen werden, die Krümmungsberechnung in Randpunkten

nicht auszuführen und stattdessen Werte von Nachbarknoten auf die Randknoten zu übertragen. Dadurch würden allerdings möglicherweise Problemzonen am Rand, wie sie bei der linken Fläche in Abbildung 2 auftreten, nicht erkannt werden.

Die Verfahren A) bis C) beziehen sich ausschließlich auf Dreiecksnetze. Als Er-gebnisse von Unterteilungsalgorithmen und durch den Datenaustausch mit FEM kommen in der Feiformmodellierung aber auch Vierecksnetze und aus Drei- und Vierecken bestehende Netze vor. Es ist möglich, Vierecke in Dreiecke aufzuteilen, jedoch hängt das Ergebnis der Krümmungs-berechnung von der Triangulierung ab, wie in Abbildung 7 gezeigt wird.

Á Abbildung 3: Dreiecksnetz mit fehlenden Facetten und diskreter Gaußscher Krümmung, Variante B)

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

091

Á Abbildung 4: Dreiecksnetz mit fehlenden Facetten und diskreter Gaußscher Krümmung, Variante C)

verwenDung DeS 1e-ringSIn [MaSoRi07] werden zur Verbesserung des Ergebnisses von B) alle Elemente des 2-Rings von v, der den 1-Ring um alle direk-ten Nachbarn der Elemente aus 1-Ring(v) erweitert, in die Berechnung einbezogen. Jedoch ist damit eine merkliche Verschlech-terung des Laufzeitverhaltens verbunden, da in der Regel für jeden Knoten mehr als doppelt so viele Transformationen ausge-führt und Gleichungen erzeugt werden.

In dieser Arbeit werden für die Varianten A) und B) aus der Menge 2-Ring(v) diejenigen

Knoten zum 1-Ring(v) hinzugenommen, die durch zwei Kanten eines Polygons mit dem 1-Ring(v) verbunden sind: Es ist der erweiterte 1-Ring von v – abgekürzt: 1E-Ring(v) – die Menge aller Knoten w, für die zwei Kanten e1 = {w,w1} und e2 = {w,w2} mit

und 1-Ring(v) existieren und es ein Polygon f mit e1,e2 Ef gibt.

Es gilt: 1-Ring(v) 1E-Ring(v) 2-Ring(v), und der 1E-Ring eines Knotens v eines qua-drilateralen Netzes ist Teilmenge des 1E-Rings von v bei beliebiger Triangulierung des Quadnetzes.

092

Á Abbildung 5: Vierecks- und Dreiecksnetz mit

diskreter Gaußscher Krümmung, Variante A)

ohne 1E-Ring

Á Abbildung 6: Vierecks- und Dreiecksnetz mit

diskreter Gaußscher Krümmung, Variante A) mit

1E-Ring

Á Abbildung 7: Torus (oben) approximiert durch

Dreiecksnetz (Mitte) und Vierecksnetz (unten)

mit diskreter Gaußscher Krümmung, Variante A)

ohne 1E-Ring

Á Abbildung 8: Torus (oben) approximiert

durch Dreiecksnetz (Mitte) und Vierecksnetz

(unten) mit diskreter Gaußscher Krümmung, Va-

riante A) mit 1E-Ring

Á Abbildung 9: 3D-Scan eines Teils einer Autotür-Innenverkleidung, mit diskreter mittlerer Krüm-

mung, Variante C)

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

093ergebniSSeIn den Abbildungen 5 bis 8 sind die Verbes-serungen der Krümmungswertberechnun-gen durch die Einbeziehung des 1E-Rings anhand von zwei Beispielen grafisch de-monstriert.

Abbildung 9 zeigt das Ergebnis der diskreten mittleren Krümmung an einem 3D-gescann-ten Bauteil. Es zeigt sich, dass dieses Krüm-mungsmaß für die Formanalyse (sogenannte Featureerkennung) eingesetzt werden kann, hier jedoch noch weitergehende Algorithmen zur Filterung und Korrektur der Eingangsda-ten (wie beispielsweise in [MaSoRi07] refe-renziert) angewendet werden müssen.

Für die in den obigen Abbildungen darge-stellten Beispiele wurden zudem analog der Vorgehensweise in [MaSoRi07] Krüm-mungsabweichungs- und Laufzeitmessun-gen vorgenommen. Dabei bestätigten sich die in [MaSoRi07] evaluierten Laufzeit-vorteile für Variante C). Die in [MaSoRi07] hervorgehobenen, extrem hohen Berech-nungsaufwände für Variante B) traten hingegen nicht auf. Starke Genauigkeits-verluste in Variante C) sind insbesondere in den Randpunkten zu verzeichnen, während die Varianten A) und B) durch Einbeziehung des 1E-Rings insgesamt akzeptable Resul-tate erzielen. «

literaturverZeiCHniS[AnSt10]: Andersson, L.-E.; Stewart, N. F.: Int-

roduction to the mathematics of subdivision

surfaces. SIAM, 2010

[DoC76]: DoCarmo, M.: Differential Geometry of

Curves and Surfaces. Prentice-Hall, NJ, 1976

[Ha93]: Hamann, B.: Curvature approximation

for triangulated surfaces. Computing Supple-

ments 8 (1993) 139–153

[KiKi09]: Kim, Hy.-S.; Kim, Ho-S.: New Compu-

tation of Normal Vector and Curvature. WSEAS

Transactions on Computers, Issue 10, vol. 8,

October 2009

[MaSoRi07]: Magid, E.; Soldea, O.; Rivlin, E.: A

comparison of Gaussian and mean curvature

estimation methods on triangular meshes of

range image data. Computer Vision and Image

Understanding 107 (2007) 139–159

[MDSB02]: Meyer, M.; Desbrun, M.; Schroder,

P.; Barr, A. H.: Discrete Differential Geometry

Operators for Triangulated 2-Manifolds. Proc of

VisMath, 2002

[PBP 02]: Prautsch, H., Boehm,W., Paluszny,

M.: Bezier and B-Splines Techniques. Springer-

Verlag, Berlin, 2002

[SchwKö09]: Schwarz, H. R.; Köckler, N.: Numeri-

sche Mathematik. 7. Auflage Teuber, 2009

[WaBe01]: Watanabe, K.; Belyaev, A. G.: Detec-

tion of salient curvature features on polygonal

surfaces, in: Eurographics 2001, vol. 20, no. 3,

2001

KontaKtProf. Dr. rer. nat. Ute WagnerBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich II – Mathematik, Physik, ChemieLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 5199 » [email protected]

094

Mobilität ist ein Zukunftsthema in den Großstädten weltweit – Parkplätze wer-den knapp, Staus und Unfälle häufen sich, CO2-Emissionen nehmen zu. Neue Lösungen müssen existierende Verkehrssensoren, Floating Car Data und Live-Verkehrsmeldungen nutzen, um den Verkehr optimal zu steuern. Einen Beitrag dazu leistet das Smart-Data-Forschungsprojekt ExCELL, welches eine Plattform für Mobilitätsdienstleistungen am Beispiel der Stadt Dresden entwickelt.

Mobility is future topic of every major city worldwide, parking lots are sparse, the number of traffic jams, accidents and CO2 emissions increase. New solutions have to leverage existing traffic sensors, floating car data and live traffic mes-sages to efficiently control the traffic. A contribution is made by the Smart Data Research Project ExCELL, which develops a platform for mobility services based on the city of Dresden.

↗ felix KunDe ↗ StePHan PiePer ↗ Prof. Dr. oeC. Petra Sauer ∧ Beuth-hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich Vi – informatik und medien

ExCELL – eine Plattformfür die Vorhersage undAnalyse von Verkehrsdaten

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

0951 einleitungImmer mehr Menschen leben in Großstäd-ten, was dazu führt, dass der Verkehr in Städten stetig zunimmt. Gleichzeitig wer-den Parkplätze knapp, Staus und Unfälle häufen sich und die Menschen werden zunehmend frustrierter. Neue Lösungen werden benötigt, die basierend auf Ver-kehrssensoren, Floating Car Data und Live-Verkehrsmeldungen den Verkehr optimal beeinflussen können.

Mobilität ist das große Zukunftsthema der Menschheit. Aber was können wir tun, da-mit Mobilität für alle Menschen einfacher, schneller und effizienter – quasi intelligen-ter wird? Was wäre, wenn umfangreiche Verkehrsinformationen aller Fahrzeuge bekannt und zentral verfügbar wären? Wie stark würde dies eine Gesellschaft als Ganzes voranbringen? Wie hoch wären die Einsparungen bei CO2-Emissionen und Re-duzierung der Kosten für Unternehmen und Privatpersonen, wenn wir eine zentrale Op-timierung aller Logistik- beziehungsweise Mobilitätsprozesse ermöglichen könnten?

Aufgrund von Smart Cities und intelligenten Transportsystemen würde die gesamte Gesellschaft in Form von sauberer Umwelt, geringeren Kosten und weniger Staus profi-tieren [2]. Die Menschen würden mehr Zeit für die wichtigen Dinge im Leben gewin-nen und unser Land würde einen riesigen Schritt in Richtung Zukunft machen. Basis für die Optimierung von Verkehrsflüssen ist, Anomalie-Signale wie Stau beziehungs-weise stockender Verkehr in Echtzeit zu messen, auszuwerten und global steuern zu können.

2 auSgangSSituationDas Forschungsprojekt ExCELL wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und ist Teil des Technologieförderprogrammes »Smart Data – Innovationen aus Daten«. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Logistik-Plattform, die Mobilitätsdienstleistungen für kleine und mittelständische Unterneh-men (KMU) zur Verfügung stellt. Die ExCELL-Plattform dient dabei als Accelerator für die Entwicklung von Anwendungen auf den bereitgestellten Datenanalyse-Schnitt-stellen, wobei die Daten mit heterogenen Massendaten aus der Crowd angereichert werden. Basierend auf existierenden Geo-, Verkehrslage- und Betriebsdaten sowie deren Echtzeitanalyse werden über einen Crowdsourcing-Ansatz Dezentralität, Flexi-bilität und Aktualität gewährleistet.

2.1 StruKtur Der exCell-PlattforMAbbildung 1 zeigt den Aufbau der ExCELL-Plattform und einige Beispielanwendun-gen. ExCELL deckt drei Themenschwerpunk-te ab. Dazu zählen:

Big Data – Big Data ermöglicht den Aufbau von effizienten Verkehrsmodellen zum Rou-ting. Weiterhin können zusätzliche Daten-quellen angebunden, deren Massendaten veredelt und Echtzeitanalysen durchgeführt werden. Big-Data-Prozesse führen zur bes-seren Kommunikation zwischen Verkehrs-teilnehmern und ermöglichen Trendanaly-sen im Bereich Verkehr.

096Crowdsourcing – Mittels Crowdsourcing als neuer Datenquelle der Sharing Economy sollen Apps der Verkehrsteilnehmer sowohl Datengeber als auch Datennehmer gene-rierter Verkehrsinformationen sein. Die Apps befriedigen verkehrsträgerunabhän-gig die Mobilitätsbedürfnisse der Nutzer, multimodal und optimal angepasst an die Verkehrslage. Eine Beispiel-App ist Cargo Share, die ungenutzte Frachtkapazitäten für andere Teilnehmer zugreifbar macht. Cargo Share optimiert Leerfahrten und re-duziert so den Ausstoß von CO2.

City-Logistik – ExCELL fungiert als selb-storganisierte City-Logistik-Plattform und ermöglicht so die Bündelung von Mobi-litätsdiensten, wobei Mobilitätsdienst-leistungen (Apps) neue verkehrsrelevante Daten zurückspielen. Darüber hinaus dient ExCELL als Marktplatz für Anbieter, Daten-konsumenten, Betreiber, Datenlieferanten und öffentliche Verwaltungen.

Abbildung 1 zeigt den modularen Auf-bau der ExCELL-Mobility-Plattform. Auf der untersten Schicht befinden sich die Datenquellen, wie beispielsweise das Verkehrsmanagementsystem der Stadt Dresden (VAMOS), aber auch Start-ups wie Fahrtenfuchs werden Daten liefern. Die Verwendung von Standards und offe-nen Schnittstellen ermöglicht die einfa-che Integration neuer Datensätze in die Mobilitätsplattform ExCELL. Auch offene Datenquellen werden integriert [3]. Diese werden zukünftig eine große Rolle spielen und die Bundesregierung treibt diese Ent-wicklung aktiv voran. Das Potenzial von Open Data allein in Berlin wird auf 20 bis 50 Millionen Euro geschätzt [5]. Die darauf aufbauende Kommunikationsschicht dient dem Datenaustausch zwischen Datenquel-len und den Diensten auf der obersten Schicht. Wohingegen auf der Dienstschicht Webservices definiert werden, die wichtige Mobilitätsdienste erfüllen, wie beispiels-

Á Abbildung 1: ExCELL-Mobility-Plattform

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

097

weise Routing, Tracking und Verkehrs-vorhersage. Die programmierten Dienste wiederum können durch Partner-Apps und eigene ExCELL-Apps gekoppelt werden. Die Kombination von Diensten ermöglicht intel-ligente Anwendungen wie Parkplatzsuche oder Frachtmitnahme, um Leerfahrten zu vermeiden.

2.2 DreSDen alS PilotStaDtDresden dient als Pilotstadt für ExCELL, aufgrund der Größe und der direkten Ver-fügbarkeit von Daten aus dem Verkehrs-managementsystem (VAMOS) des Projekt-partners Technische Universität Dresden. Dieses System dient als Datenlieferant für die Data-Mining-Prozesse. Zusätzlich bietet Dresden als Stadt mit nationaler und inter-nationaler Strahlkraft die notwendigen Her-ausforderungen in puncto Verkehrsplanung und -telematik. Die Übertragbarkeit und Nachhaltigkeit der Lösung wird durch die Entwicklung einer offenen Plattform, die Berücksichtigung von Standards und ein ausgereiftes Verwertungskonzept sicher-gestellt. Drei agile Entwicklungsiterationen sorgen dafür, dass die in ExCELL entwickel-ten, mobilen Applikationen als ausgereifte und nutzbare Lösungen für KMU in Dresden angeboten werden. Basierend auf vorange-gangenen Projekten wird ein Grundstein für eine staufreie Stadt gelegt. Die verbesserte Auslastung von Verkehrsmitteln in der Stadt, die Optimierung der Parkplatzsuche und die Integration von ÖPNV und Elektro-mobilitätskonzepten durch die Evaluations-partner stellen die ökologische Nachhaltig-keit des Projektes ExCELL sicher.

2.3 vorStellung auSgeSuCHter DienSte Der beutH HoCHSCHule für teCHniK berlinRouting Service. Ein essenzieller Dienst für die Mobilitätsplattform ExCELL ist der Routing Service (siehe Abbildung 2). Viele Menschen kennen Routing vom Na-vigationssystem im Auto oder von Google Maps . Dieser Dienst erlaubt die Findung des schnellsten und des kürzesten Weges in der Stadt Dresden durch den Wegfin-dungsalgorithmus von Djikstra [1]. Beim ExCELL-Routing-Service handelt es sich um einen intelligenten Dienst, der mehrere Anfragetypen beantworten kann. Einerseits in die Zukunft gerichtete Anfragen, wenn man beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt fahren möchte. Dadurch ändert sich das zugrundeliegende Verkehrsmo-dell, da der Verkehr zu unterschiedlichen Zeiten veränderlich ist. Berufsverkehr weist demnach andere Charakteristika auf als Wochenendverkehr. Diese Verkehrsflüsse werden im Routing Service vorberechnet und sind mittels Routinggraphen zugreif-bar. Andererseits soll der Routing Service Live-Anfragen beantworten können. Dabei werden Verkehrsprognosemodelle der Technischen Universität Dresden verwen-det. Diese Prognosemodelle können den wahrscheinlichsten Verkehrsfluss für einen kurzen Zeithorizont (5 bis 15 Minuten) an stark befahrenen Verkehrsabschnitten voraussagen. Ein herkömmliches Navigati-onssystem hat keinerlei Informationen, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich Stau oder stockender Verkehr entwickelt. Daher führt eine mögliche Route genau in den Stau hinein. Unser intelligenter Routing Service kennt bis zu einem gewissen Grad die Stauprognose und kann diese Daten bei der Routenberechnung nutzen und Umfah-rungsmöglichkeiten anbieten. Somit wird die Gesamtfahrzeit verringert. Wie in Ab-

098bildung 2 gezeigt, nutzt der Service dafür Verkehrsdaten aus dem VAMOS-System.

Verkehrsvorhersage und Anomalieerken-nungsservice. Abbildung 3 zeigt einen weiteren Service der Beuth Hochschule für Technik Berlin, es handelt sich um den Verkehrsvorhersage und Anomalieerken-nungsservice. Dieser Service analysiert zwei Datentypen:

» Floating Car Data – Positionsdaten von Fahrzeugen mit Zusatzattributen

» Sensordaten, die aus fest verbauten Induktionsschleifen vor Kreuzungen und wichtigen Verkehrsknotenpunkten wie Brücken stammen

Aus diesen Daten generiert der Service Normalzustände für den Straßenverkehr zu unterschiedlichen Zeiten. Ein ETL-Prozess transformiert und aggregiert Verkehrs-daten, um für Bereiche in Dresden den typischen Verkehrsfluss zu modellieren. Dafür wird die Stadt Dresden in ein Raster eingeteilt; für die einzelnen Rasterelemen-te werden der Verkehrsfluss und die durch-schnittliche Geschwindigkeit berechnet [4]. Die ermittelten Werte für Wochentage, Wo-chenenden und weitere Aggregationsstufen speichert die verteilte SQL-Datenbank Cloudera Impala (siehe Abbildung 3). Wenn beispielsweise eine Elbbrücke in Dresden aufgrund von Hochwasser gesperrt werden muss und diese Maßnahme zu Stau in der Stadt führt, erkennt der Service eine Anomalie im Verkehrsfluss. Durch die An-omalieerkennung können Alternativrouten vorgeschlagen werden.

Der Verkehrsvorhersage-Service (siehe Abbildung 3) liefert neben der Erkennung von Anomalien, Dichteverteilungen für Durchschnittsgeschwindigkeiten und Ver-

kehrsdichte, Verkehrsprognose für einen definierten Zeitpunkt und Verkehrsprogno-se bei Erkennung einer Anomalie.

3 anwenDungSfälleDie folgenden Anwendungsfälle zeigen die Verwendung der vorgestellten proto-typischen Services Routing und Verkehrs-vorhersage zur Visualisierung von Floating Car Data und Routenfindung in der Stadt Dresden.

3.1 verKeHrSfluSSviSualiSierungen MittelS Heat MaPSDer unter 2.3 vorgestellte Service Verkehrs-vorhersage liefert Dichteverteilungen von Verkehrsflüssen in Dresden. Diese Vertei-lungen können zur Generierung von Heat Maps benutzt werden. Eine Heat Map ist ein Diagramm zur Visualisierung von Daten, das zweidimensionale Beziehungen leicht verständlich für den Menschen darstellt. In der Abbildung 4 ist eine Heat Map für einen Sonntag in Dresden um 02:00 Uhr morgens abgebildet. Diese Darstellung zeigt die Verkehrsdichte zu dieser Zeit. Besonders markant ist, dass viele Fahrzeuge in der Altstadt beziehungsweise in der Neustadt unterwegs sind. Die Heat Map verdeutlicht dies durch rote Einfärbungen. In der Dresd-ner Neustadt und Altstadt befinden sich viele Clubs und Bars, was eine höhere Ver-kehrsdichte in diesen Bereichen der Stadt zu den genannten Zeiten begründet.

An einem Montag um 08:00 Uhr morgens wäre die Darstellung eine andere, da viele Menschen aus den Wohnvierteln zur Arbeit in die City fahren. Mittels Heat Maps kön-nen Events in Dresden und mögliche Stau-gefahren schnell erkannt werden.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

099

Á Abbildung 2: Routing Service

Á Abbildung 3: Verkehrsvorhersage-Service

1003.2 taxifaHrten iM Zeitraffer für DaS event SeMPeroPernballEine weitere Visualisierungsform ist die Darstellung von Taxifahrten. Hierfür werden Messpunkte von Taxifahrten miteinander verbunden, wodurch eine Rekonstruktion von Fahrten möglich ist. Die Abbildung 5 zeigt die Visualisierung der Fahrten zur Zeit des Semperopernballes in Dresden. Es ist zu erkennen, dass viele Fahrten vom Flughafen Dresden in Richtung Innenstadt und Dresdner Zwinger führen. Der Sem-peropernball ist ein internationales Event. Demnach führen viele Fahrten vom nahen Flughafen in die Innenstadt.

Zusätzlich zeigt die Abbildung 5 Taxifahrten zum Semperopernball, die aus den Randbe-zirken Dresdens in die Innenstadt steuern.

3.3 routing für PrognoStiZierte unD bereCHnete verKeHrSlageWie bereits in Kapitel 2.3 skizziert, wurde Routing als essenzieller Service im ExCELL-Projekt identifiziert. Navigations- und Kar-tendienste haben einen wichtigen Platz im Leben der Menschen und bestimmen ihren Alltag. Routenfindung auf einer Karte ge-hört zu den Standarddiensten eines jeden Smartphones und Navigationssystems. Die Abbildung 6 stellt eine Beispielroute von der Dresdner Neustadt zum Zwinger dar.

Im ExCELL-Projekt wird eine neuartige Form der Routenfindung entwickelt und getestet. Der ExCELL-Routing-Service kann die Verkehrslage zu einem Zeitpunkt pro-gnostizieren und berechnen. Außerdem sollen Verkehrsanomalien wie Unfälle im Verkehrsmodell berücksichtigt werden. Der Routing Service kennt die gesamte Verkehrslage in Dresden und kann darauf aufbauend intelligente Entscheidungen treffen. Wenn beispielsweise stockender

Á Abbildung 5: Zeitraffervisualisierung für den

Semperopernball

Á Abbildung 6: Routendarstellung von der

Dresdner Neustadt zum Zwinger

Á Abbildung 4: Visualisierung der Verkehrs-

dichte für einen durchschnittlichen Sonntag,

02:00 Uhr

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

101

literaturverZeiCHniS[1]: Brinkhoff, Thomas. Geodatenbanksys-

teme in Theorie und Praxis. Heidelberg:

Wichmann. (2005).

[2]: Caragliu, Andrea, Chiara Del Bo, and Pe-

ter Nijkamp. Smart cities in Europe. Journal

of urban technology 18.2 (2011): 65–82.

[3]: Barbosa, Luciano, et al. Structured open

urban data: understanding the landscape.

Big data 2.3 (2014): 144–154.

[4]: Doraiswamy, Harish, et al. Using topo-

logical analysis to support event-guided

exploration in urban data. Visualization and

Computer Graphics, IEEE Transactions on

20.12 (2014): 2634–2643.

[5]: Preische, Jens. Digitales Gold – Nutzen

und Wertschöpfung durch Open Data für

Berlin. (2014).

KontaKtStephan Pieper / Felix Kunde / Prof. Dr. Petra SauerBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich VI – Informatik und MedienLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 2691 » [email protected] » [email protected] » [email protected]

Verkehr an einer Kreuzung von den VAMOS-Sensoren erkannt wurde, dann wäre es sinnvoll, eine weniger befahrene Seiten-straße zu benutzen, obwohl der Weg ggf. länger ist, die Gesamtfahrzeit aber durch die Stauumfahrung viel geringer wird.

Die Informationen aus diesem Service sind ebenfalls für Speditionen und Logistik-dienstleister interessant, da Touren besser geplant und optimiert werden können. Wenn im Vorfeld bekannt ist, dass einige Stadtgebiete zu bestimmten Zeiten in Dres-den stark befahren und stauanfällig sind, dann sollten diese Fahrten später oder früher ausgeführt werden. So lassen sich Kosten, Zeit und CO2-Emissionen sparen.

4 ZuSaMMenfaSSung Im Beitrag wurde gezeigt, wie die Mobili-täts-Plattform ExCELL Verkehrsdaten, Diens-te und Apps integriert. Mittels der Plattform soll der Verkehrsfluss in der Stadt Dresden analysiert und verbessert werden. Dafür stehen Daten aus dem VAMOS-Verkehrsma-nagementsystem bereit. Die vorgestellten Dienste der Beuth Hochschule für Technik Berlin sind einerseits der Routing und an-dererseits der Verkehrsvorhersage-Service.

Die umgesetzten Anwendungsfälle zeigen, dass Verkehrsdaten in ExCELL einfach ge-nutzt werden können und wichtige Informa-tionen zur Verbesserung von Verkehrsflüs-sen vorhanden sind. Durch die vorgestellten Services sind hohe Einsparpotenziale für kleine und mittelständische Unternehmen (KMUs) in der Stadt Dresden gegeben.

Eine weitere Entwicklungsrichtung mit Blick auf die Stadt der Zukunft (Smart Cities) ergibt sich aus der Integration von Open Data. Open Data ist ein wichtiger Bereich für die Wertschöpfung der Zukunft [5] und

integraler Bestandteil von ExCELL. Darüber hinaus ermöglicht Open Data den Transfer der ExCELL-Plattform auf andere Städte durch Verwendung dort vorhandener offe-ner Datensätze. Hierfür ist allerdings noch Einiges an Forschungs- und Entwicklungs-leistung nötig. «

102

Im Projekt »MitCSR« werden die Wirkungen der Übernahme gesellschaftlicher Verantwortung (Corporate Social Responsibility, kurz: CSR) durch Unternehmen in Berlin und Brandenburg auf die Rekrutierung und Bindung von Mitarbeitern analysiert. Der Beitrag stellt Ergebnisse der Erhebungen von CSR-Performanz, CSR-Kommunikation und CSR-Wahrnehmung bei den sechs Praxispartnern dar und gibt einen Ausblick zur Bedeutung der Kommunikation von CSR-Aktivitäten bei der Mitarbeiterrekrutierung und -bindung.

The project »MitCSR – finding and retaining employees« studies the effects of Corporate Social Responsibility (CSR), its communication and its perception on employee recruitment and employee retention (commitment) in companies based in Berlin and Brandenburg. The paper describes the results of the detailed analysis of the six practice partners (case studies) and the role of the communi-cation of CSR activities for finding and retaining employees.

↗ Prof. Dr. rer. Pol. anDreaS DeCKMann ↗ M.a. franZiSKa freuDenberger ∧ Beuth-hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich i – Wirtschafts- und gesellschaftsWissenschaften ↗ Prof. Dr. SilKe buStaMante ↗ Prof. Dr. anDrea PelZeter ↗ DiPl.-SoZ. ruDi eHlSCHeiDt ∧ hochschule für wirtschaft unD recht Berlin ∧ fachbereich duales studium

»MitCSR« – Mitarbeiterfinden und binden durchCSR-Maßnahmen undgezielte Kommunikation

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

103

einleitung unD forSCHungSgegenStanDDie Übernahme sozialer und ökologischer Verantwortung (Corporate Social Respon-sibility, kurz: CSR) von Unternehmen in Berlin spielt eine wesentliche Rolle zur Sicherstellung einer nachhaltigen Ent-wicklung im Sinne der zukünftigen Gestal-tung der »Stadt der Zukunft«. CSR wird gemäß der ISO 26 000 definiert als »die Verantwortung von Unternehmen für ihre Auswirkungen auf die Gesellschaft« [Bun 11]. Unternehmen stehen neben der Erwar-tungshaltung der Gesellschaft, Nachhal-tigkeit in ihr unternehmerisches Handeln zu integrieren, der Herausforderung des demografischen Wandels gegenüber. Mitar-beiter zu finden und zu binden, erhält unter diesem Aspekt besondere Bedeutung. In einigen internationalen Studien wurden bereits positive Auswirkungen von CSR auf die Rekrutierung und Bindung von Mitar-beitern analysiert [Du 14; Pro 15; Bus 14]. Im Projekt »MitCSR« wird dieser Zusam-menhang bei Unternehmen in Berlin und Brandenburg untersucht. Inwiefern leisten die Unternehmen bereits einen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung? Wie werden diese Maßnahmen kommuniziert und wie werden diese von aktuellen und potenziel-len Mitarbeitern wahrgenommen? Inwiefern folgen Unternehmen mit diesen Maßnah-men nicht nur dem Schutz der nachhaltigen Entwicklung, sondern erhöhen damit auch gleichzeitig ihre Arbeitgeberattraktivität und das Commitment ihrer Mitarbeiter? Diese Forschungsfragen stehen im Mittel-punkt des IFAF-Forschungsprojektes. Ziel des Projektes ist es zudem, Empfehlungen zu geben, wie Unternehmen durch gezielte CSR-Maßnahmen und deren Kommunika-tion ihre Arbeitgeberattraktivität und das Commitment erhöhen können.

Das Projekt »MitCSR« startete im Okto-ber 2014 und wird durch sechs regionale Praxispartner des Dienstleistungssektors unterstützt. Mit dem vorliegenden Paper werden Ergebnisse der Erhebungen bei den Praxispartnern zu CSR-Aktivitäten, CSR-Kommunikation und CSR-Wahrnehmung so-wie die Bedeutung der CSR-Kommunikation diskutiert.

forSCHungSlayout: CSr-triaSDie Forschungsfragen werden mit einer Detailanalyse und einer breiten Analyse (qualitativ und quantitativ) untersucht. Die Detailanalyse umfasst die Erhebungen bei den Praxispartnern, die im vorliegenden Paper behandelt werden und als Fallstudi-en zu interpretieren sind. Es werden damit zunächst Tendenzen aufgezeigt, die im weiteren Projektverlauf breiter untersucht werden, um statische Relevanz zu erhalten. Weiterhin werden Präferenzen bei der Ar-beitgeberwahl von aktuellen und potenziel-len Mitarbeitern identifiziert.

Im Projekt werden drei unternehmerische Einflussfaktoren – die sogenannte CSR-Trias – und deren Rekrutierungs- und Bindungswirkung konkret analysiert. In der CSR-Trias beeinflussen die faktische CSR-Leistung der Unternehmen (CSR-Performanz) und deren interne und externe Kommunikation die Wahrnehmung bei aktuellen und potenziellen Mitarbeitern (siehe Abbildung 1). Die CSR-Performanz wurde für das Projekt auf fünf Dimensio-nen spezifiziert, in denen CSR-Aktivitäten übernommen werden können: Mitarbeiter, Markt, Umwelt, Gesellschaft und Unterneh-mensführung.

104

erSte ergebniSSe Der fallStuDienDie Bewertung der CSR-Performanz der sechs Praxispartner zeigt, dass die Mitarbeiter-CSR am stärksten und die Umwelt-CSR am geringsten ausgeprägt ist (siehe Abbildung 2). Die Kommunikation der CSR-Aktivitäten sowohl intern als auch extern wurde bei der Umwelt-CSR dagegen vergleichsweise hoch eingeschätzt (siehe Abbildung 3). Dieses kann folgende Gründe haben. Im Bereich Umwelt-CSR ist noch ungenutztes Potenzial vorhanden, in denen die Unternehmen aktiv werden können und daher ihre Umwelt-CSR mit einer geringeren CSR-Performanz bewerten. Andererseits ist es möglich, dass sich die Stakeholder insbesondere für die Umwelt-CSR eines Unternehmens interessieren und daher die-

se CSR-Aktivitäten verstärkt kommuniziert werden. Entgegengesetzt verhält sich die Bewertung bei der Markt-CSR. Hier wird der Entwicklungsstand zwar hoch eingeschätzt, die Kommunikation dagegen ist jedoch eher gering ausgeprägt. Die Unternehmen übernehmen zwar aktiv Verantwortung ge-genüber Lieferanten, Partnern und Kunden durch beispielsweise Durchführung von Lie-ferantenaudits oder Kundenbefragungen. Nach Einschätzung der Unternehmen fo-kussieren sie aber diese Maßnahmen nicht in ihrer Kommunikation. In einigen Unter-nehmen sind bereits Ansätze zur Kommuni-kation dieser Maßnahmen integriert. Dazu zählen die Veröffentlichung von Leitlinien zum Lieferantenmanagement, der Einkaufs-politik sowie die Verpflichtung zu einem unternehmerischen Verhaltenskodex.

Á Abbildung 1: CSR-Trias

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

105erSte ergebniSSe Der fallStuDienDie Bewertung der CSR-Performanz der sechs Praxispartner zeigt, dass die Mitarbeiter-CSR am stärksten und die Umwelt-CSR am geringsten ausgeprägt ist (siehe Abbildung 2). Die Kommunikation der CSR-Aktivitäten sowohl intern als auch extern wurde bei der Umwelt-CSR dagegen vergleichsweise hoch eingeschätzt (siehe

Abbildung 3). Dieses kann folgende Gründe haben. Im Bereich Umwelt-CSR ist noch ungenutztes Potenzial vorhanden, in denen die Unternehmen aktiv werden können und daher ihre Umwelt-CSR mit einer geringeren CSR-Performanz bewerten. Andererseits ist es möglich, dass sich die Stakeholder insbesondere für die Umwelt-CSR eines Unternehmens interessieren und daher die-se CSR-Aktivitäten verstärkt kommuniziert

Á Abbildung 2: Bewertung der CSR-Performanz (Mittelwerte) der sechs Praxispartner

Á Abbildung 3: Bewertung der internen und externen CSR-Kommunikation (Mittelwerte) der sechs

Praxispartner

106

werden. Entgegengesetzt verhält sich die Bewertung bei der Markt-CSR. Hier wird der Entwicklungsstand zwar hoch eingeschätzt, die Kommunikation dagegen ist jedoch eher gering ausgeprägt. Die Unternehmen übernehmen zwar aktiv Verantwortung ge-genüber Lieferanten, Partnern und Kunden durch beispielsweise Durchführung von Lieferantenaudits oder Kundenbefragun-gen. Nach Einschätzung der Unternehmen fokussieren sie aber diese Maßnahmen nicht in ihrer Kommunikation. In einigen Unternehmen sind bereits Ansätze zur Kommunikation dieser Maßnahmen integ-riert. Dazu zählen die Veröffentlichung von Leitlinien zum Lieferantenmanagement, der Einkaufspolitik sowie die Verpflichtung zu einem unternehmerischen Verhaltens-kodex.

Die eingesetzten Kommunikationsinstru-mente sind grundsätzlich sehr vielfältig und abhängig von der jeweiligen Unter-nehmenskultur, Organisationsform sowie dem Unternehmenszweck. So ist in einem der sechs Praxispartner die Social-Media-Nutzung durch die Unternehmensleitung gänzlich ausgeschlossen. Andere verzich-ten auf die Nutzung von Pressemitteilun-gen, da diese entsprechend des Unterneh-menszwecks und der Organisationsform

eher kritisch bewertet werden. Einen sehr hohen Stellenwert in allen sechs Fallstudi-en haben die persönliche Kommunikation und Eigenpublikationen wie Newsletter, Broschüren, CSR- und Geschäftsberichte. Auch das Internet – sowohl die eigene Un-ternehmenswebsite als auch Aktionswebsi-tes – wird von drei der sechs Praxispartner als eines der fünf wichtigsten Kommunika-tionsinstrumente für CSR-Aktivitäten ge-nannt. Dagegen wurden Social Media sowie Intranet beziehungsweise Wiki jeweils nur einmal als wichtiges Kommunikationsinst-rument hervorgehoben und andere Online-Kommunikationsinstrumente wie Videos, Podcasts und interaktive Instrumente er-hielten keine der zu vergebenen Stimmen. Die Kategorie der Online-Kommunikation und Social Media ist damit nur auf dem vierten Rang, von insgesamt fünf Rängen, der wichtigsten Kommunikationsinstrumen-te. Dieses überrascht in der Hinsicht, dass insbesondere bei Social-Media-Anwendun-gen von einem Bedeutungszuwachs bei der CSR-Kommunikation ausgegangen wurde.

In einem weiteren Schritt wurde bei den sechs Praxispartnern durch Fokusgrup-peninterviews eine Einschätzung der CSR-Performanz und deren Wirkungen auf die Bindung und Rekrutierung seitens der

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

107

Mitarbeiter erfasst. Dabei wurde die CSR-Performanz des jeweiligen Arbeitgebers von den Mitarbeitern teilweise besser ein-geschätzt, als es durch die Selbsteinschät-zung der Unternehmensleitung erfolgte. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass die Mitarbeiter geringere Erwartungen an die CSR-Performanz ihres Arbeitgebers mitbringen als die Unternehmensleitung. Es kann zudem als Indiz gesehen werden, dass die CSR-Kommunikation im Unterneh-men bisher vernachlässigt wurde und somit kein einheitliches Verständnis darüber vorhanden ist, was unter CSR zu verstehen ist. In wenigen Fällen wurde die CSR-Perfor-manz jedoch auch geringer eingeschätzt, als es durch die Unternehmensleitung be-urteilt wurde. Auch an dieser Stelle erfolgte den Annahmen der Forscher nach keine ausreichende Kommunikation der CSR-Aktivitäten und damit ist in den Unterneh-men ein gering ausgeprägter, gemeinsamer Wissensstand zur unternehmerischen CSR vorhanden. Die CSR-Kommunikation nimmt damit eine entscheidende Rolle ein, um ein gemeinsames CSR-Wissen sowie eine konforme CSR-Performanz und CSR-Wahr-nehmung zu erreichen.

In den Fokusgruppeninterviews wurde geäußert, dass sich die Mitarbeiter ein

Unternehmenswiki wünschen, um Aussa-gen, unter anderem zur CSR-Aktivität ihres Arbeitsgebers, abrufen und weitergeben zu können, wenn Kunden danach fragen. In der Vielzahl von Informationen, die Mitar-beiter erhalten und verarbeiten müssen, ist so eine Form des Wissensspeichers explizit gewünscht, um Externen gegenüber aus-sagefähig zu sein. Grundsätzlich wird eine kompakte, medial aufbereitete Darstellung erbeten, um nicht etliche Textseiten lesen zu müssen, was eher als Belastung wahr-genommen wird. Zudem wünschen sich die Interviewten eine an ihre Zielgruppen ange-passte und zeitnahe Kommunikation.

ZuSaMMenfaSSung unD faZitMit der Detailanalyse wurde der Status quo der Einflussfaktoren der CSR-Trias – CSR-Performanz, CSR-Kommunikation und CSR-Wahrnehmung – bei den Praxispartnern erhoben. Die sechs Fallstudien zeigen, dass die CSR-Maßnahmen im Bereich der Mitarbeiter am stärksten ausgeprägt sind. Erkennbare Wirkungen auf die Rek-rutierung und Bindung werden durch die Praxispartner zudem nur der Mitarbeiter-CSR zugeschrieben. Die Mitarbeiter-CSR wird letztlich auch von den Fokusgruppen als besonders relevante CSR-Dimension

108

literaturverZeiCHniS[Bun 11]: Bundesministerium für Arbeit und

Soziales: Die DIN ISO 26 000 »Leitfaden

zur gesellschaftlichen Verantwortung von

Organisationen« – Ein Überblick, Bonn,

November 2011

[Bus 14]: Bustamante, Silke: CSR, Trust

and the Employer Brand. In: Janusz Reichel

(Hrsg.): CSR Trends. Beyond Business as

Usual. Łódź: Centrum Strategii i Rozwoju

Impact (CSR Impact), 2014, S. 71–89

[Du 14]: Du, Shuili; Bhattacharya, C. B.; Sen,

Sankar: Corporate Social Responsibility,

Multi-faceted Job-Products, and Employee

Outcomes. In: J Bus Ethics, 2014

[Pro 15]: Prokopowicz, Piotr; Żmuda, Grze-

gorz: Corporate Social Performance, the

Meaning of Work, and Applicant Attraction:

A Cognitive Perspective. In: O'Riordan, L.,

Zmuda, P., Heinemann, S. (Hrsg.): New Per-

spectives on Corporate Social Responsibi-

lity. Locating the Missing Link. Wiesbaden:

Springer Gabler, 2015, S. 213–228

bewertet und zur Erklärung ihres Verbleibs beim derzeitigen Arbeitgeber herangezo-gen. Ob den weiteren CSR-Dimensionen tatsächlich nur eine nachrangige Bedeu-tung zufällt, wird im Rahmen der breiten Untersuchung detailliert erhoben.

Bei der Gegenüberstellung der Bewertun-gen der CSR-Performanz und der CSR-Kom-munikation werden Divergenzen, insbeson-dere in den Bereichen Markt und Umwelt, deutlich. Die CSR-Kommunikation stellt an dieser Stelle nicht die faktische CSR-Per-formanz dar. Auch die Differenzen bei der Bewertung der CSR-Performanz durch die

Fokusgruppen stellen ein Indiz zur unter-schätzten CSR-Kommunikation dar. Durch die Ermittlung von Präferenzen im weiteren Projektverlauf wird zudem identifiziert, wel-che Themen die aktuellen und potenziellen Mitarbeiter besonders interessiert und demnach in der Kommunikation verstärkt berücksichtigt werden sollten.

Die Kommunikation stellt das wesentliche Bindeglied zwischen CSR-Performanz und der CSR-Wahrnehmung dar und kann von den Unternehmen gezielt gesteuert wer-den. Nur wenn CSR-Aktivitäten zielgerich-tet kommuniziert werden, können diese durch interne und externe Stakeholder bewusst wahrgenommen werden und da-mit bestenfalls Bindungs- und Identifizie-rungspotenziale erhöhen. Daher sollte der Kommunikation eine höhere Bedeutung zuteilwerden. Bei der Wahl der Kommuni-kationsmedien und der Aufbereitung von Kommunikationsinhalten zeigen die Erhe-bungen, dass sich Mitarbeiter eine an ihre Zielgruppe gerichtete Kommunikation mit kompakt aufbereiteten Inhalten wünschen. Weiterhin wird die Bereitstellung von Wis-sensspeichern gewünscht, an denen In-formationen bei Bedarf abgerufen werden können. Entgegen der Annahme, dass die Online-Kommunikation und Social-Media-Nutzung bereits fest in den Unternehmen verankert sind, zeigte sich, dass diese – mit Ausnahme der Websites – in den vorlie-genden Fallstudien nicht sehr stark verbrei-tet sind. Im weiteren Projektverlauf werden diese Tendenzen genauer überprüft, um CSR-Maßnahmen und Kommunikationswe-ge für die Erhöhung von Rekrutierungs- und Bindungspotenzialen zu identifizieren. «

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

109

Gefördert vom

In KooperatIon mIt

hochschulpartner

KontaKtProf. Dr. Andreas DeckmannBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich I – Wirtschafts- und GesellschaftswissenschaftenLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 2327 » [email protected] » [email protected] » mitcsr.de

Prof. Dr. Silke BustamanteHochschule für Wirtschaft und RechtFachbereich Duales Studium / Unternehmensführung und Dienstleis-tungsmanagementAlt Friedrichsfelde 60, 10315 Berlin

» (030) 30877 – 2220 » [email protected] » www.mitcsr.de

Prof. Dr. Andrea PelzeterHochschule für Wirtschaft und RechtAllgemeine Betriebswirtschaftslehre und Facility ManagementAlt Friedrichsfelde 60, 10315 Berlin

» (030) 30877 – 2230 » [email protected] » www.mitcsr.de

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

111

POSTERMEDIEN- UND KOMMUNIKA-TIONSTECHNOLOGIEN

112Research Day 2016 Stadt der Zukunft Konzepte und Technologien

Medien- und Kommunikations- technologien

• Prof. Dr. Petra Sauer · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]

Quelle: Stephan Pieper

Weltweit steigende Fahrzeugzulassungen machen Mobilität zu ei-nem der wichtigsten Zukunftsthemen für Großstädte. Parkplätze werden knapper, Staus und Unfälle häufen sich, CO2-Emissionen nehmen trotz Fortschritten bei Verbrennungsmotoren weiter zu. Im Projekt ExCELL (www.excell-mobility.com) wird erforscht wie auf Basis von Big Data aus Sensoren und Crowdsourcing Verkehrs-muster abgeleitet werden können, welche die Grundlage für intelli-gente Navigationsdienste liefern. Über Smartphone-Apps können die Services genutzt werden und helfen damit, die Mobilität von einzelnen Verkehrsteilnehmern oder ganzen Unternehmen zu op-timieren.

Machine Learning durch CrowdsourcingErkannte Anomalien auf Vergangenheitsdaten können wiederum den gefahrenen Tracks der Floating Car Data gegenübergestellt werden. Zeitstempel und GPS Positionen geben Aufschluss über die schnellste Durchquerung bzw. Umfahrung von überlasteten Streckenabschnitten. Als langfristiges Ziel sollen weitere Daten-quellen sowie Crowdsourcing durch die angebotenen Apps hel-fen, das Datenmodell via Machine Learning weiter zu trainieren, um verlässliche Aussagen für eine sich selbst-organisierende City-Logistik liefern zu können.

ExCELL – Plattform für die Vorhersage und Analyse von Verkehrsdaten

Data Mining auf GeodatenDresden dient hierbei als Pilotstadt für ExCELL, weil es über ein umfangreiches Verkehrsmanagementsystem namens VAMOS ver-fügt, das vom Projektpartner, der Technische Universität Dresden, betrieben und weiterentwickelt wird. Das VAMOS-System liefert sekündlich Messdaten von hunderten stationärer Sensoren sowie einzelner Fahrzeuge (Floating Car Data), auf deren Basis Verkehrs-prognosen und damit verbundene Steuerungsmaßnahmen defi-niert werden. So entstand über die Jahre eine riesige Datenmenge, die nun zum ersten Mal mit modernen Data Mining Algorithmen durch die Forschungsgruppe um Prof. Sauer von der Beuth Hoch-schule ausgewertet wird.

ETL

SERVICES

SMARTSERVICES

MICRO

DATAMINING

SPATIALTEMPORAL

SMARTMOBILITYAPPS

DATEN-QUELLEN

Kalender

GeocoderHeatMap

Routing

Anomalie

TrackingTrafficAlert

Monitoring Touren-planer

TrafficGuide

ArchivEchtzeit

ba

Floating Car Data

-2-1

+3+1

-1

Kantengewichtung

graphhopperTrainiertesVerkehrsmodell

IMPALAZeit

Verkehr

Traffic FlowAnalysis

• ETL Prozess für Geodaten-Analysen

• Heat Map Darstellung von Dresden

Durch statistische Analyse der Sensordaten können für alle Stre-ckenabschnitte charakteristische Verkehrsparameter für Stunden, Tage bis hin zu Jahreszeiten und Großereignisse bestimmt wer-den. Diese fließen als Gewichte in das Straßennetzwerk ein, das je nach Routinganfrage (ob in Echtzeit oder für zukünftige Touren) variierende und damit realistische Ergebnisse zurückliefert. Bei gehäuftem Auftreten von starken Abweichungen zum Normalzu-stand erkennt unser Service eine Anomalie und würde im Echt-zeitszenario den Verkehrsteilnehmer warnen und Alternativrouten vorschlagen.

Quelle: Felix Kunde

• Anna-Maria Poznanska · · E-Mail: [email protected]

Höchstauflösende Sensorsysteme

Research Day 2016 Stadt der Zukunft Konzepte und Technologien


ZusammenfassungIn der Abteilung Sensorkonzepte und Anwendungen am Institut für Optische Sensorsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) werden neuartige Fernerkundungssysteme ent-wickelt, verifiziert und erprobt. Automatisiert prozessierte, hoch lagegenaue True-Orthophoto Mosaike und Oberflächenmodelle aus Bilddaten verschiedener Aufnahmegeometrien und von unter-schiedlichen Trägersystemen dienen als Grundlage für eine Viel-zahl von Anwendungen. Neben Aufgaben wie die Echtzeitextraktion von Objekten für Mo-nitoringzwecke oder der 3D-Rekonstruktion für geospezifische Si-mulationswelten, werden ebenfalls Geoinformationen für urbane Anwendungen erhoben. Diese Informationen ergeben einen Mehr-wert für städtische Fragestellungen, denn die bisher unerreichte hohe Genauigkeit verbunden mit der Fähigkeit sehr große Daten-sätze auszuwerten, ermöglicht flächenhafte Ableitung von urba-nen Objektmerkmalen. Zu nennen sind z. B. Gebäude- und Vegetationshöhen, Gebäude- und Dachgeometrien, Dachbegrünung, Einzelbäume sowie Eigen-schaften von Oberflächenversiegelung. Die Kombination dieser Attribute gibt ferner Informationen zur Herleitung von städtischen Strukturmaßen und bedient Ansprüche für städtische Planungs- und Monitoringaufgaben wie Versiegelungsgradanalysen, Grün- und Freiflächenbestandsaufnahme oder Gebäudetypisierung. Zusammenarbeit mit Senatsverwaltung

für Stadtentwicklung und Umwelt BerlinIm Rahmen des Projektes wurde ein Konzept für eine automati-sierte Extraktion von Gebäude- und Vegetationsobjekten entwi-ckelt und auf der Grundlage von UltraCamX Daten auf das gesamte Berliner Stadtgebiet angewendet. Das Ergebnis stellt ein Informa-tionssystem inklusive einer Geodatenbank dar, welches u.a. die Gebäudegeometrien sowie die Höheninformationen für Gebäude- und Vegetationsobjekte für ganz Berlin enthält. Ebenfalls wurden Gebäude, die nicht in der ALK verzeichnet sind, sowie Dachbegrü-nungen extrahiert. Im digitalen Umweltatlas von Berlin können die Ergebnisse im FIS-Broker (unter dem Suchstichwort ‚Gebäude- und Vegetationshö-hen‘) sowie die Resultate für einzelne Bezirke als Karten im PDF-Format betrachtet und ausgewertet werden. Ferner werden die Ergebnisse in einem vom Europäischen Fonds für Regionale Ent-wicklung (EFRE) geförderten Projekt zur Aktualisierung des Berli-ner Klimamodells als Grundlagedaten verwendet.

Prozessierungskette am Beispiel von MACS-TumbleCam Aufnahmen

Sensorsysteme

• MACS-Micro • MACS-Himalaya

• Bildunterschriften (von oben links): original oblique Bild, DOM und TOM aus nadir Daten, texturiertes Oberflächenmodell, Klassifikation als Grundlage für Rekonstruktion, automatische 3D-Gebäuderekonstruktion, automatische Texturierung für geospezifische Modelle

Que

lle fü

r alle

Bild

er: D

LR O

ptis

che

Sens

orsy

stem

e











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

113

• Prof. Dr. Andreas Deckmann · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected] – www.mitcsr.de

„MitCSR“ – Mitarbeiter finden und binden



ForschungsgegenstandGesellschaftlicher Verantwortung von Unternehmen (Corporate Social Responsibility, CSR) wird eine positive Wirkung auf die Re-krutierung und Bindung von Mitarbeitern zugeschrieben. Dieser Zusammenhang ist Forschungsgegenstand im Projekt „MitCSR – Mitarbeiter finden und binden“.

Projektziel ist es, Empfehlungen zu geben, wie Unternehmen durch gezielte CSR-Maßnahmen und deren Kommunikation ihre Arbeit-geberattraktivität und das Commitment ihrer Mitarbeiter erhöhen können.

Präferenzen bei der ArbeitgeberwahlDie Ergebnisse der Fallstudien zeigen: Die CSR-Aktivitäten in der Mitarbeiter-Dimension sind durchweg am stärksten ausgeprägt. Wirkungen auf die Rekrutierung und Bindung werden zudem nur der Mitarbeiter-CSR zugeschrieben.

Neben CSR-Aktivitäten der Unternehmen spielen jedoch weitere klassische Arbeitgebermerkmale eine wichtige Rolle für die Ar-beitgeberwahl. MitCSR zeigt, welche CSR-Aktivitäten und welche anderen Qualitäten Studierenden und Mitarbeitern bei einem Ar-beitgeber besonders wichtig sind.

ForschungslayoutDie Rekrutierungs- und Bindungswirkung von CSR wird anhand von drei Einflussfaktoren analysiert: CSR-Performanz, CSR-Kom-munikation und CSR-Wahrnehmung. Die CSR-Wahrnehmung wird bei Mitarbeitern der beteiligten Unternehmen und bei Studieren-den diverser Berliner Hochschulen erhoben. Durch detaillierte Er-hebungen bei den Praxispartnern wird der Status Quo der drei Ein-flussfaktoren aufgezeigt.

Für das Projekt wurden fünf Dimensionen spezifiziert, in denen CSR-Aktivitäten übernommen werden können: Mitarbeiter, Markt, Umwelt, Gesellschaft und Unternehmensführung.

Mittelgeber: IFaF - Institut für angewandte Forschung Berlin e.V.

Projektpartner: Hochschule für Wirtschaft und Recht Berlin

I. CSR-PERFORMANZ Mitarbeiter · Markt · Umwelt · Gesellschaft · Unternehmensführung C

S R - T R I A S

II.  CSR-KOMMUNIKATION

III.  CSR-WAHRNEHMUNG

+ REKRUTIERUNG

+

+ BINDUNG +

Extern Intern

Extern Intern

CSR-Trias


S R - T R I A S



+ REKRUTIERUNG

+

+ BINDUNG +

Extern Intern

Extern Intern

CSR-Trias


S R - T R I A S



+ REKRUTIERUNG

+

+ BINDUNG +

Extern Intern

Extern Intern

CSR-Trias


S R - T R I A S



+ REKRUTIERUNG

+

+ BINDUNG +

Extern Intern

Extern Intern

CSR-Trias

Praxispartner ALBA Group (INTERSEROH Dienstleistungs GmbH)

BIM Berliner Immobilienmanagement GmbH

Leonardo Hotels (Sunflower Management GmbH & Co KG)

Mastiok Baugesellschaft mbH

Technische Jugendfreizeit- und Bildungsgesellschaft (tjfbg) gGmbH

WISAG Gebäudereinigung Holding GmbH & Co KG


S R - T R I A S



+ REKRUTIERUNG

+

+ BINDUNG +

Extern Intern

Extern Intern

CSR-Trias

Grafiken: Müller Forschungsprojekt „MitCSR“








Sensorsysteme



Que

lle fü

r alle

Bild

er: D

LR O

ptis

che

Sens

orsy

stem

e











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


114

• Prof. Dr. Jürgen Schweikart · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]



In der derzeit angewandten Bedarfsplanung zur Sicherstellung der ärztlichen Versorgung wird mit Verhältniszahlen für große Pla-nungsbereiche auf Basis administrativer Einheiten gearbeitet. Da-durch bleiben sowohl kleinräumige Disparitäten innerhalb der Pla-nungsbereiche als auch die Versorgungsbeziehungen über deren Grenzen hinaus unberücksichtigt. Kinder- und Hausärzte werden in der Bedarfsplanung getrennt betrachtet, obwohl Kinder in ei-nem kombinierten System aus beiden Arztgruppen betreut wer-den. Daher ist der Frage nachzugehen, wie sich der geographische Zugang zur Versorgung modellieren lässt um zu kleinräumigen Be-wertungsansätzen zu gelangen, die Maßnahmen zur Steuerung der zukünftigen Entwicklung ermöglichen.

MethodeDie vorliegende Studie stellt einen Indikator vor, der Konzepte der Bedarfsplanung und der Erreichbarkeitsmodellierung vereint. Ein-wohner-Arzt-Relationen werden für kleinräumige Einzugsbereiche als ein kombiniertes Maß aus Erreichbarkeit, Verfügbarkeit und Be-darf berechnet. In Brandenburg werden Wohnflächen und in Berlin Blöcke als Bevölkerungsstandorte verwendet. In ländlichen Regi-onen werden deutlich weitere Wege zum Arzt zurückgelegt, meist mit dem Auto, wogegen in Berlin Fußwege wichtig sind. Auf Basis vorangegangener Studien wird für Brandenburg eine Entfernung von bis zu 10 km über das Straßennetz und in Berlin eine Reise-zeit von bis zu 15 Gehminuten als zumutbar angesehen. Innerhalb der Einzugsgebiete wird deren Wohnbevölkerung den erreichba-ren Ärzten gegenübergestellt. Die Relationen werden mittels der Verhältniszahlen der Bedarfsplanung in Versorgungsgrade umge-rechnet.

ErgebnisDie Versorgungsgrade werden für die kartographische Darstellung auf Bezirke, bzw. Gemeinden aggregiert. Die Analyseebene bleiben die kleinräumigen Einzugsgebiete der Blöcke, bzw. Wohnflächen. Es werden ausgeprägte räumliche Disparitäten und ein Stadt-Land-Gefälle sichtbar. In Brandenburg werden sowohl bei den Kinder- als auch bei den Hausärzten Versorgungsdefizite aufgedeckt. In stark verflochtenen Stadtrandgebieten ist davon auszugehen, dass die überversorgten Berliner Bezirke den Brandenburger Kindern zu-gutekommen. Für periphere ländliche Gemeinden gilt dies nicht. Dort leisten Hausärzte einen großen Beitrag zur Sicherstellung der Versorgung von Kindern, was sich negativ auf die Kapazitäten für die hausärztliche Versorgung auswirkt.

Räumliche Disparitäten in der medizinischen Grundversorgung von Kindern in Berlin-Brandenburg

• Vergleich von Datengrundlagen und Einzugsgebieten in Berlin und Brandenburg

• Kleinräumige Versorgung durch Kinder- und Hausärzte in Berlin-Brandenburg 2013

Foto: Fotolia/Konstantin Yuganov

Foto

: Fac

hber

eich

III

Foto: Fachbereich III








Sensorsysteme



Que

lle fü

r alle

Bild

er: D

LR O

ptis

che

Sens

orsy

stem

e











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

115

• Prof. Dr. Bri Newesely · Beuth Hochschule für Technik Berlin · [email protected]

• Dr. Hans-Dieter Nägelke · TU Berlin · [email protected]

• Dipl.Ing. Franziska Ritter · TU Berlin · [email protected]



Theaterbausammlung

Im Rahmen einer Hochschul-Kooperation zwischen der Techni-schen Universität Berlin (Studiengang Bühnenbild_Szenischer Raum sowie Architekturmuseum) und der Beuth Hochschule für Technik (Studiengang Theatertechnik) wird seit Februar 2016 die Theaterbau-Sammlung der TU Berlin digitalisiert. Dankenswerter-weise finanziert die Deutsche Forschungsgemeinschaft das Pro-jekt für die Dauer von zwei Jahren.

Gegenstand dieser interdisziplinären Forschung ist die Sicherung, Erschließung und digitale Aufbereitung der Theaterbausammlung: Seit etwa 45 Jahren lagert an der TU Berlin ein Konvolut bestehend aus Planmappen mit 319 Theaterbauten, über 600 Glasplatten-Negativen in verschiedenen Formaten, Lehrmaterial aus den 50er und 60er Jahren sowie Mappen mit diversen historischen Bühnen-bildzeichnungen – als Teil des Nachlasses des Theatertechnikers und Bühnenarchitekten Prof. Friedrich Kranich. Das Hauptaugenmerk der Theaterbau-Sammlung – die Mappen zum Handbuch „Das Deutsche Theater“ mit insgesamt über 6000 sehr heterogenen Archivalien (Lichtpausen, Fotografien, Hand-zeichnungen und Schriftstücken) – zeigen eine einzigartige Zu-sammenfassung über den Zustand (groß-)deutscher Kulturbauten zu Beginn des zweiten Weltkrieges 1939 mit einer detaillierten ar-chitektonischen und bühnentechnischen Beschreibung.Insgesamt 319 Theater in Mitteleuropa (Deutschland, Frankreich, Russland, Österreich, Polen, Slowenien und der Tschechischen Re-publik) sind dort verzeichnet, darunter 32 Berliner Theater und 20 Wiener Theater.

Provenienz der Archivalien Im Auftrag des Generalbauinspektor für die Reichshauptstadt Al-bert Speer wurde seit 1939 an der Herausgabe eines Handbuchs mit dem Titel “Das Deutsche Theater” gearbeitet. Die Vorbereitungsarbeiten leitete der Architekt Theodor von Lüp-ke, der bis 1943 trotz widriger Kriegsumstände etwa 500 Theater mithilfe von Fragebögen kontaktierte und Planmaterial und Fotos anforderte. Zur Veröffentlichung kam es jedoch nicht.

Die Entwicklung zu einem Online-Archiv und die Einbindung in den Bestand des Architekturmuseums der TU Berlin hat zum Ziel, im Zusammenhang von Baugeschichte, Bühnentechnik und Szeno-graphie über innovative theatrale Räume der Theaterreformen zu reflektieren. So können die kulturellen Errungenschaften bis 1933 neu bewertet werden und nach der Zäsur des Nationalsozialismus eine Brücke zum Umgang mit heutigen Spielstätten geschlagen werden.

Fotocredit: © TU Berlin Theaterbausammlung / Franziska Ritter

DFG-Projekt zur Digitalisierung und Entwicklung eines Online-Archivs

• Mappe Nr. 42 Theater des Volkes – Grosses Schauspielhaus Berlin (Poelzig)

Langfristiges Forschungsziel

Handbuch “Das Deutsche Theater“

Gefördert von: Kooperationspartner:








Sensorsysteme



Que

lle fü

r alle

Bild

er: D

LR O

ptis

che

Sens

orsy

stem

e











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


116








Sensorsysteme



Que

lle fü

r alle

Bild

er: D

LR O

ptis

che

Sens

orsy

stem

e











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Med

ien

- u

nd

Ko

MM

un

iKat

ion

stec

hn

olo

gie

n

117











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

119

URBANE TECHNOLOGIEN

120

Der vorliegende Beitrag stellt mit dem Projekt »ModEnCo« Instrumente und Verfahren für ein modellbasiertes Energiecontrollingsystem vor. Dieses ermög-licht das Erfassen, Analysieren und Reduzieren von Energieeffizienzlücken bei komplexen Energiesystemen mit mehreren Erzeugern und ist Grundlage für neue Dienstleistungen. Für diesen Zweck wird die Marktsituation für Energie-simulationssoftware beschrieben und der kontinuierliche Verbesserungsprozess als Methodik für das Projekt herangezogen.

The following article presents tools and methods for a modern energy controlling system, as are researched in the ModEnCo project. The system covers recording, analysing and reducing the energy efficiency gap in complex multi-generator energy systems and provides the basis for a new field of technological and economical services. The article describes the current market situation of ener-gy simulation software and explains how the continual improvement process is used to achieve the project’s goals.

↗ Prof. DiPl.-KfM. Kai KuMMert ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich iV – architektur und gebäudetechnik ↗ Prof. Dr. Dr. H. C. Mult. HorSt wilDeMann ↗ M.SC. SüleyMan SanDiKçi ∧ technische universität (tu) münchen ∧ forschungsinstitut unternehmensführung, logistik und produktion ↗ DiPl.-PHyS. franK SCHeffler ↗ M.SC. JonatHan SCHulZe ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ↗ Dr.-ing. Stefan KirSCHbauM ↗ DiPl.-MatH. M.SC. gregor wrobel ↗ DiPl.-ing. anDreaS reiMer ∧ gesellschaft Zur förDerung angewanDter informatik (gfai) e. v. ∧ graphische ingenieursysteme ↗ M.SC. Jan-HauKe HelMtS ∧ technische universität (tu) münchen

ModEnCo – Modellba-siertes Energiecontrollingfür Planung und Betriebkomplexer Energiesystemevon KMU

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

121

einleitungDas Thema »Energieeffizienz« spielt in Zeiten knapper und teurer natürlicher Res-sourcen eine gewichtige Rolle [8][13]. In der Realität zeigt sich, dass die im Planungs-modell prognostizierten energetischen Optimierungspotenziale im Betrieb häufig nicht erreicht werden [7]. Insbesondere zu stark idealisierte oder irrtümlich als valide angenommene Rahmenbedingungen füh-ren zu Abweichungen zwischen Planung und anschließendem Betrieb. Exogene Treiber (zum Beispiel volatile Energietarife) oder endogene Störfaktoren (zum Beispiel unsachgerechte Eingriffe in technische Fahrweisen) können diese Rahmenbedin-gungen beeinflussen.

Die Lücke zwischen prognostizierten Energiekosten in der Planung und Kosten im späteren Betrieb tritt sowohl bei Neu-planung als auch bei der Umrüstung eines existenten Energiesystems auf und wird im Folgenden als Energieeffizienzlücke be-zeichnet [2][3][7][12].

Abbildung 1 veranschaulicht diesen Begriff schematisch. Der erreichte Energiebedarf (Rot) nach einer Fassadensanierung oder nach dem Austausch veralteter Klimatech-nik entspricht meist nicht dem Planungsziel (Grün).

Á Abbildung 1: Energieeffizienzlücke

(nach Umsetzung einer effizienzfördernden

Maßnahme)

122

Die Nutzung diversifizierter Anlagen stellt hohe Anforderungen an das Management einer synergetischen und optimierten Fahr-weise. Während bei herkömmlichen Ener-gieversorgungssystemen Sekundäreffekte der technischen Anlagen nicht genutzt wurden, sind heute durch Kopplung Effizi-enzgewinne zu erzielen. Zudem kommen verstärkt multivalente Energieversorgungs-systeme (das heißt mehrere Energieträger) zum Einsatz (siehe Abbildung 2).

Wo früher der Kälte-, Wärme- und Druckluft-bedarf durch unabhängige Komponenten gedeckt wurde, kommen nun verstärkt inte-grierte Systeme zum Einsatz.

Das Controlling moderner Energieversor-gungssysteme basiert heute auf dem Mo-nitoring von Verbräuchen einzelner techni-scher Anlagen, teilweise zusammengeführt in Gebäudeleitsystemen. Zur Energieeffi-zienz tragen diese Informationen aber erst bei, wenn die erkannten Abweichungen hinsichtlich ihrer Ursache(n) analysiert und hinsichtlich ihrer Korrektur(en) nachverfolgt werden. Diese logische und logistische Funktionalität lassen Energiecontrolling-systeme derzeit vermissen, da sie nicht modellbasiert in dem Sinne arbeiten, dass für die einzelnen Bestandteile eines Ener-giesystems thermodynamische Modelle hinterlegt sind.

Á Abbildung 2: Hohe Komplexität moderner Energieversorgungssysteme

durch Kopplung der technischen Anlagen

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

123

Die Defizite bestehender Ansätze sind als wesentliche Anforderungen zu verstehen, die insgesamt an die ModEnCo-Methodik zu stellen sind:

» Kausalanalyse ermöglichen » mit weniger Sensoren auskommen » Nutzwerte aggregieren » unschärfeantizipierend prognostizieren » Konsistenzchecks ermöglichen » praxistaugliche Reaktionsschwellen ableiten

» echte Nachverfolgung ermöglichen

Die Forschungsfrage lautet: Wie können die immer komplexer werdenden Energiesys-teme von Gebäuden nachhaltig energieef-fizient betrieben werden? Die Ergebnisse werden am Anwendungsfall »Nichtwohnge-bäude« (Bauwerke, die keine Wohnungen beinhalten, dafür aber komplexe energeti-sche Anforderungen stellen, zum Beispiel Bürogebäude) erprobt und validiert [3].

werKZeuge für Planung, Controlling unD bewertungDie Planung von Energiesystemen wird in den meisten Fällen anhand von prognos-tizierten Spitzenlastverbräuchen der ein-zelnen Energieträger vorgenommen. Insbe-sondere im Gebäudebereich werden diese Spitzenlasten mittels Gebäudesimulations-programmen oder aus Erfahrungswerten gewonnen. Für bestimmte Technologien stehen Auslegungstools zur Verfügung, die die Planung unterstützen.

Das Softwarepaket TOP-Energy [8][4][13] ist ein solches Werkzeug zur Planung von Energieversorgungssystemen. TOP-Energy hat den Anspruch, verschiedenste Techno-logien in beliebiger Kombination aus einem modellbasierten Ansatz heraus simulieren und bewerten zu können. Darüber hinaus werden komplette Jahreslastgänge des betrachteten Energiesystems berücksich-tigt, sodass sich TOP-Energy zur Bewertung komplexer gekoppelter Energiesysteme eignet.

Zur Aufnahme des Technikstandes von Energiesystem-Steuerungsinstrumenten wurden nationale und internationale Marktübersichten [1][6][11] analysiert, um bereits im produktiven Einsatz befindliche Systeme mit dem ModEnCo-Ansatz zu vergleichen und einen ersten Eindruck von deren Reife und Tiefe zu erhalten. Die übli-che Bezeichnung dieser Instrumente lautet Energiemanagement-Software (EMS) und beinhaltet alle Dimensionen vom einfachen Energiemonitoring über das Energiecont-rolling bis hin zur komplexen Energiepro-gnose.

124Als Marktübersichten wurden der Markt-spiegel der EnergieAgentur NRW [1] sowie die beiden amerikanischen Studien von Verdantix [11] und LinkCycle [6] verwendet, die alle einen hohen Bekanntheitsgrad und eine gute Reputation aufweisen. Diese Quellen lieferten mehr als 60 Systeme, die im deutschsprachigen Raum hergestellt werden [1], und fast 30 Systeme, die nahe-zu ausschließlich aus dem angloamerika-nischen Raum stammen [11][6]. Von diesen etwa 90 Systemen wurden 18 aufgrund der Beschreibungen zur weiteren Inspek-tion ausgewählt. Die übrigen erfüllten bereits grundlegende Anforderungen, wie beispielsweise Wirtschaftlichkeitsberech-nungen oder Prognosemöglichkeiten, nur unzureichend. Zu den 18 Systemen wurden Informationen auf den Webseiten der Her-steller gesichtet und bewertet. Im Allge-meinen sind kaum andere Informationen bezüglich Leistungsumfang und Systemphi-losophie verfügbar.

Das Ergebnis zeigt, dass es auf dem Markt der Energiemanagement-Software kein öffentlich zugängliches Produkt gibt, das ein ganzheitliches und KMU-gerechtes Leis-tungsportfolio anbietet.

ModEnCo erfordert eine durchgängige und ganzheitliche Bewertungsmethodik für das Energiesystem. Dessen Wirtschaftlichkeit unterliegt vielfältigen externen und inter-nen Einflussgrößen. In der Praxis hat sich zur ganzheitlichen monetären Bewertung von Energiesystemen ein dynamisches Investitionsrechnungsmodell auf Basis der standardisierten Wirtschaftlichkeits-kennzahl LCOE (Levelized Cost of Energy) durchgesetzt [10]. Dieser Ansatz hat sich zur Ermittlung von Energiegestehungskos-ten bewährt und soll daher als Grundlage zur Bewertung von Energiesystemen heran-gezogen werden, auch wenn umfassende Erweiterungen innerhalb des Forschungs-vorhabens erarbeitet werden müssen.

Eine Herausforderung gegenüber dem klas-sischen LCOE-Ansatz stellen hier die eher kurzen Betrachtungszeiträume, der Wech-sel von Erzeuger- auf Verbrauchersicht und die Verknüpfung unterschiedlicher Ener-giequellen sowie -verbraucher dar. Grund-sätzlich muss der Nutzwert einer physikali-schen Prozessgröße anwendungsorientiert ermittelt werden, da der Wertbeitrag zum Gesamtsystem situationsabhängig ist und nicht global festgelegt werden kann. Eine Aggregation von Einzelzielgrößen auf eine einfach zu überwachende Gesamtzielgröße innerhalb eines Scoring-Modells existiert nicht.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

125MetHoDiK von MoDenCoDer ganzheitliche Ansatz ermöglicht es Eigentümern, Betreibern, Planern und Be-ratern alle Phasen des Lebenszyklus von Energiesystemen zu planen, zu kontrollie-ren und zu steuern.

Die Methodik folgt, wie in Abbildung 3 dargestellt, der zyklischen Methodik eines kontinuierlichen Verbesserungsprozesses (KVP) mit den folgenden vier Phasen:

» Planen (Plan): Planung von Fahrweise und Systemstruktur des Energiesystems

» Ausführen (Do): Energiesystem wird durch den Betreiber gefahren (getestet)

» Prüfen (Check): Monitoring des Energie-systems (Energieeffizienzlücke messen)

» Handeln (Act): Maßnahmen entwickeln, bewerten und umsetzen

Á Abbildung 3: Externe ModEnCo-Methodik

126

Dies setzt an den drei zentralen Stellhebeln an: Neuplanung eines Energiesystems (Grassroot, »Grüne-Wiese«-Ansatz), Über-wachung des Betriebs (Energiecontrolling durch Betreiber) sowie Energiesystemum-bau im Sinne von Modernisierung und Energieeffizienzmaßnahmen (Retrofit) [5].

Den Kern der internen Methodik des Forschungsvorhabens bilden die Kom-ponentenmodelle zur mathematischen Beschreibung von Energiesystemen, de-ren inneres technisches Verhalten durch thermodynamische Zusammenhänge und deren wirtschaftliches Verhalten durch ein

Á Abbildung 4: Darstellung eines Energieversorgungssystems

(iklusive Tarif-, Mess- und Steuerkomponenten)

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

127Kostenkalkulationsmodell beschrieben wird. Derartige Komponentenmodelle sind sowohl für die basalen Anlagen eines Ener-giesystems (Kessel, BHKW, Wärmepumpe, PV-Anlagen etc.), für darüberliegende Schichten technologischer Komponenten (MSR-Steuerungen), für die Sensorik (Mess-stellen) als auch für die wirtschaftlichen Einflussgrößen (Tarife) zu entwickeln. In der Abbildung 4 ist ein energetisches Netzwerk beispielhaft dargestellt.

Um ein solches Energiesystem zu model-lieren, müssen Komponenten in einem Energieschema verschaltet werden. Aus der Verschaltung und den inneren Modellen ergibt sich ein geschlossenes Modell, das als Gleichungssystem vorliegt und für die Simulation und Bewertung gelöst wird.

In der Planungsphase wird initial ein solches Modell des geplanten Energiesys-tems aufgebaut. (Bei bereits bestehenden Energiesystemen wird der Ist-Zustand abgebildet.) Das Modell enthält zunächst Herstellerinformationen und Annahmen über Lastverläufe, Außenzustände und Eigenschaften der verbauten technischen Anlagen und berechnet daraus die Ver-brauchsgrößen. In der Betriebsphase werden reale Verbräuche erfasst und ana-lysiert. Grundlage für Soll-Ist-Vergleiche und Variantenprüfungen bleibt das einmal modellierte Energiesystem: Sowohl in der Planung als auch im Betrieb wird dasselbe Modell verwendet.

Es kann leider nicht davon ausgegangen werden, dass mit Hilfe von algebraischen Gleichungssystemen Energiesysteme adäquat beschrieben werden können. Obwohl die physikalischen Prozesse im All-gemeinen stetig sind, ergeben sich durch Schaltvorgänge und exogene Einflüsse Unstetigkeiten und hochkomplexe Kausal-zusammenhänge. Durch das Einführen von Steuerelementen treten Gleichungen auf, die nicht umkehrbar sind. Steuerungen modellieren zum Beispiel die Einschaltrei-henfolge von Wärmeerzeugern (siehe MSR in Abbildung 4). Dabei werden Zusam-menhänge mit einer eindeutigen kausalen Richtung verwendet (»Wenn das BHKW voll ausgelastet ist, schalte den Kessel zu.«). Schaltvorgänge werden zudem häufig als Hysteresen formuliert. Da diese Zusam-menhänge oft irreversibel sind, ist eine Überführung vom Planungssystem zum Be-triebssystem nicht trivial: Hier sind geeig-nete Modelltransformationen gesucht.

128literaturverZeiCHniS[1]: Energieagentur (2013): Marktspiegel Ener-

giemanagement-Software. EnergieAgentur NRW,

2013. Verfügbar unter: www.energieagentur.nrw.

[2]: Greenough et al. (2013): An Advanced Ener-

gy Management Framework to Promote Ener-gy

Awareness, Journal of Cleaner Production 43,

2013.

[3]: Grundke, M.; Wildemann, H. (2015): Modu-

larisierung im Hausbau – Konzepte, Marktpoten-

ziale, Wirtschaftlichkeit. TCW-Verlag, München,

2015.

[4]: Kohler, St.: Energiewende im Gebäudebe-

reich – Herausforderungen und Chancen bei

energieeffizientem Bauen und Sanieren, Deut-

sche Energie-Agentur (dena), Berlin, 23. Mai

2012. Verfügbar unter: www.dena.de.

[5]: Kummert, K.; Kirschbaum, St.; Wrobel, G.

(2013): Good Practice Beispiele experimenteller

Energiesystemanalysen – Optimierungspoten-

ziale bewerten und umsetzen, in: Tagungsband

Facility Management Kongress 2013, Berlin/

Offenbach, 2013.

[6]: LinkCycle (2013): Review Of Top 10 Energy

Management Software. LinkCycle, 2013. Verfüg-

bar unter: www.linkcycle.com.

[7]: Stiftung Energieeffizienz (2013): Wohnungs-

wirtschaft und Experten energiesparenden

Bauens bemängeln klaffende Lücke zwischen

Theorie und Praxis, Pressemitteilung vom 1. Ex-

pertentreffen Wohnen und Energie. Verfügbar

unter: www.energy-check.de/wp-content/up-

loads/Stiftung-Energieeffizienz_1.Expertentref-

fen_PM_2013-01-28.pdf.

[8]: Süß, M.; Wildemann, H. (2013): Connecting

Possibilities – Scenarios for Optimizing Energy

Systems. Siemens AG, Erlangen, 2013.

[9]: Top-Energy (2013): Top-Energy. Verfügbar

unter: www.top-energy.de.

[10]: Ueckerdt et al. (2013): System LCOE: What

are the costs of variable renewables, Working

Paper.

[11]: Verdantix (2013): Green Quadrant Energy

Management Software (Global). Verdantix Ltd.,

2013. Verfügbar unter: www.verdantix.com.

[12]: Vikhorev et al. (2011): Integrating energy

efficiency performance in production manage-

ment – gap analysis between industrial needs

and scientific literature, Journal of Cleaner Pro-

duction 19, 2011.

[13]: Wildemann, H. (2012): Wachstum durch Res-

sourceneffizienz. TCW-Verlag, München, 2012.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

129

KontaKtProf. Dipl.-Kfm. Kai KummertBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich IV – Architektur und GebäudetechnikLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 2579 » [email protected] » prof.beuth-hochschule.de/kummert

Gefördert vom

* Das IGF-Vorhaben 182880 BG der Forschungs-vereinigung Gesellschaft zur Förderung ange-wandter Informatik e. V. – GfaI, Volmerstraße 3, 12489 Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programmes zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesmi-nisterium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die am LCOE angelehnte Bewertungsme-thodik dient zur Bewertung der Diskrepanz von Soll- und Ist-Zustand. Leistungspara-meter des Aufwands werden mit Leistungs-parametern des Ertrags verglichen. Diese Parameter gilt es, ebenso wie Nutzwerte und den Trade-Off zwischen Nutzwerten zu entwickeln und zu validieren. Eine implizite Breakdown-Analyse ermöglicht zum Bei-spiel die Identifikation der Stufe der Kenn-zahlhierarchie, auf der die Abweichung auftritt. Hiermit können Handlungsent-scheidungen vorbereitet werden.

Eine weitere Herausforderung besteht da-rin, ein verständliches Benutzerinterface zu entwickeln, damit auch ungeschulte Anwender ein verwertbares Feedback erhal-ten. Hier sind insbesondere die Abbildung einzelner physikalischer Kenngrößen in Nutzwerte sowie deren Aggregation in eine übergeordnete Zielgröße (zum Beispiel System-Ampel) erforderlich. Auch ist die Konfigurierbarkeit von Bewertungsgrößen erforderlich, um individuelle Wünsche der Anwender zu erfüllen. Je nach Energiesys-tem können hier ganz unterschiedliche Kennzahlen und Zielgrößen relevant sein.

ZuSaMMenfaSSungDas Innovationspotenzial liegt insbesonde-re in dem modellbasierten Lösungsansatz. Dieser stellt eine Neuerung dar und ermög-licht den Unternehmen, die ModEnCo ein-setzen, mehr Informationen über ihr Ener-giesystem und dessen Effizienz zu erlangen und zu nutzen.

ModEnCo bietet Instrumente und Verfahren für ein modellbasiertes Energiecontrolling-system, welches das Erfassen, Analysieren und Reduzieren von Energieeffizienzlücken ermöglicht und Grundlage für neue Dienst-leistungen ist. Die erzielten Ergebnisse wer-den am Anwendungsfall Nichtwohngebäu-de erprobt und validiert. Die Lösungen sind aber nicht auf diesen Fall beschränkt, son-dern für eine Vielzahl von Energiesystemen anwendbar und haben aus diesem Grunde branchenübergreifende Bedeutung. «

130

Großstädte sind mit wachsender Einwohnerzahl und gleichzeitig immer knapper werdenden Ressourcen konfrontiert. Deshalb wurde ein neues Wohnmodell, das auf gemeinschaftliches Wohnen fokussiert, auf der Cuvry-Brache in Kreuzberg erforscht und visualisiert. Es handelt sich dabei um eine konstruktiv selbst-wachsende Struktur, eine »Stadt in der Stadt«, deren besondere Charakteristik mögliche neue großstädtische Wohnszenarien anbietet. Die Arbeit wurde beim renommierten Baunetz-Campus-Wettbewerb mit einem 2. Preis ausgezeichnet.

Metropolitan cities are confronted with a growing population and at the same time shrinking resources. Therefore, a new residential model that focuses on community living was researched and visualized on the Cuvry fallow land in Kreuzberg. The study shows a constructive self-growing structure, a »city within a city« whose special characteristics offer possible new metropolitan living scenarios. The work was awarded a 2nd prize at the prestigious Baunetz-Cam-pus-Competition.

↗ Prof. DiPl.-ing. gerD SeDelieS ↗ b.SC. yaSMin naQvi ↗ b.SC. nilS Pötting ↗ Prof. Dr.-ing. SuSanne JunKer ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich iV – architektur und gebäudetechnik

»Maximalwohnen« – eingemeinschaftliches Wohn-modell für Großstädte

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

131einleitungUnsere heutige Gesellschaft ist geprägt von Konsum, Geschwindigkeit und dem Wunsch nach Individualität. Das Leben miteinander tritt heute zunehmend in den Hintergrund. Wo früher ein soziales Gemeinschaftsleben praktiziert wurde und die Menschen in Gruppen zusammenwohnten, kommt der Gedanke an ein »Miteinander« immer häu-figer zu kurz. Die vorliegende Studie stellt die verbreitete Erwartung an das Wohnen in Frage, denn sie zeigt ein alternatives Lebensmodell, bei dem der Mensch und seine natürlichen Bedürfnisse nach einer Geborgenheit fördernden Gesellschaft im Vordergrund stehen.

Schon Aristoteles beschrieb im vierten Jahrhundert vor der Zeitrechnung den Men-schen als Zoon politikon, also als soziales, auf Gemeinschaft angelegtes und Gemein-schaft bildendes Lebewesen. Viele Jahr-hunderte in Gruppen lebend, änderte der Mensch mit der Industrialisierung, also der Funktionstrennung von Arbeiten und Woh-nen, seine Haltung zum Zusammenleben innerhalb kurzer Zeit. Die Wohnung wird als Ruhestätte von der Arbeit angesehen, als »trautes Heim«, in dem Erholung vom stres-sigen Alltag stattfindet. Bis heute hat sich diese Wohnform, besonders als Kleinfami-lie oder mit nur einem einzigen Individuum innerhalb einer Wohnung, als Normalität etabliert [Maa 14]. Wie der französische Philosoph Michel Foucault feststellte, wur-de »das Wohnen zum Training und Diszip-linierungswerkzeug zur Ausprägung einer Standardfamilie« [Arch 14].

Singlehaushalte bilden heute mit 58 Pro-zent die Mehrheit der Haushalte in Berlin, darunter zählen auch alleinstehende alte Witwen und Witwer sowie alleinerziehende Mütter und Väter, die zwischen Job und Kind pendeln. Ob diese Wohnform dem modernen Menschen gerecht wird, muss gerade in einer Stadt wie Berlin in Frage gestellt werden, in der kulturelle Heteroge-nität das Stadtbild prägt [Arch 14]. Immer mehr Deutsche teilen regelmäßig Autos, Lebensmittel, Werkzeug, Wissen etc.; die neudeutschen Bezeichnungen lauten Carsharing, Couchsurfing und Foodsha-ring. Das Bedürfnis, Dinge zu besitzen, wandelt sich allmählich zugunsten dieses neuen Leitgedanken »Sharing is caring«. Der Mensch will sich vernetzen und einer Gemeinschaft angehören, möchte sich austauschen und ist bereit, sein Leben mit anderen zu teilen.

Wie könnte sich dies in einer architekto-nischen Typologie ausdrücken? Wenn sich Privatsphäre anders definieren ließe, also wenn einem Individuum nur ein Minimum an eigenem Raum exklusiv zustehen wür-de, aber dafür gemeinschaftlich genutzte Bereiche großzügigere Räume wären, von denen dann doch alle profitieren könnten, entstünde ein neues Wohnmodell.

132

HauPtteilDas als Cuvry-Brache bekannte Grundstück befindet sich in einer der besten Immobili-enlagen Berlin-Kreuzbergs. 10 000 Quadrat-meter liegen direkt am Spreeufer mit Blick auf die Oberbaumbrücke und den Fernseh-turm. Es ist ein Ort von besonderer gesell-schaftlicher Bedeutung. Deshalb wurde er als Standort für das Modell »Maximalwoh-nen« ausgewählt. Seit vielen Jahren wird dort gegen eine feste Bebauung protestiert und gefordert, die Fläche den Berlinern als kreativen Raum zur Verfügung zu stellen. Die Ecke Schlesische Straße und Cuvrystra-ße hat sich aufgrund ihrer gewachsenen Club-Kultur und vielfältigen Gastronomie zur Attraktion entwickelt.

Das Konzept für die Bebauung dieses besonderen Ortes berücksichtigt deshalb ganz besonders die Wünsche der Bewoh-ner nach experimenteller und flexibler Architektur. Es soll auf dem Grundgedan-ken aufbauen, das Leben wieder in die Gemeinschaft zu verlagern, in der sich die Bewohner austauschen und sich gegensei-tig helfen und dabei Dinge, Wissen, aber auch Arbeit teilen. Es wird eine Struktur entwickelt, die durch die Nutzer selbst aufgebaut wird und eine größtmögliche ho-rizontale als auch vertikale Wandelbarkeit gewährleistet. Als Grundlage dienen dazu jedoch keine Megastrukturen, sondern ein einfaches Stecksystem, welches mit Hilfe eines quadratischen Formats, also einer

Á Abbildung 1: Anleitung für das „Selber-Bauen“

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

133eindeutigen Geometrie, die Modifikation jeder Fläche garantiert. Diese Flächen bil-den ein dreidimensionales orthogonales Raster und damit Räume, die an die indivi-duellen Bedürfnisse und Lebensumstände der Bewohner angepasst werden können. Das Stecksystem dient somit als emotio-nale Basis zur Mitbestimmung des eigenen Lebensraumes. Vorgegebene, aber eben-falls erweiterbare Servicekerne (Treppen, Küchen, Sanitärbereiche) bilden die Basis

für die Formung von Gemeinschaften, die sich je nach Bedarf aus wenigen oder sehr vielen Individuen zusammensetzen kön-nen. Darüber hinaus wird jeder einzelne Bewohner einen persönlichen Rückzugs-raum erhalten, der sich aus dem kleinsten gemeinsamen Nenner von Effizienz und Aufenthaltsqualität ergibt. Dies sind beim notwendigen Achsabstand des Grundge-rüsts nur drei mal drei Meter, also neun Quadratmeter.

Á Abbildung 2: Optimierung des Grundrasters

134

Á Abbildung 3: Perspektive „Maximalwohnen“

Á Abbildung 4: Perspektivschnitt „Maximalwohnen“

Á Abbildung 5: Modellfotos (Alle Abbildungen von Yasmin Naqvi und Nils Pötting)

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

135

literaturverZeiCHniS[Arch 14]: Arch+, Zeitschrift für Architektur

und Städtebau: Wohnerfahrungen, Heft Nr.

218, Aachen 11/2014

[EiStNe 12]: Eisen, Markus; Strobl, Hilde;

Nerdinger, Winfried (Hrsg.): L’architecture

engagée – Manifest zur Veränderung der

Gesellschaft, München 2012

[ETH 15]: ETH Zürich, Chair of Architecture

and Urban Design, Urban Think Tank (Hrsg.):

Torre David – Informal Vertical Communities,

Zürich 2015

[KlaFei 09]: Klanten, Robert; Feireiss, Lukas

(Hrsg.): Beyond Architecture, Berlin 2009

[KooOb 11]: Koolhaas, Rem; Obrist, Hans

Ulrich (Hrsg.): Project Japan – Metabolism

Talks?, Köln 2011

[KuKu06]: Kunsch, Steffen; Kunsch, Konrad

(Hrsg.): Der Mensch in Zahlen: Eine Daten-

sammlung in Tabellen mit über 20 000 Ein-

zelwerten, 3. Aufl., Heidelberg 2006

[Maa 14]: Maak, Niklas: Wohnkomplex: Wa-

rum wir andere Häuser brauchen, München

2014

KontaKtProf. Dipl.-Ing. Gerd SedeliesBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich IV – Architektur und GebäudetechnikLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 5170 » [email protected]

Konventionelle Gestaltungs- und Planungs-regeln verlieren deshalb ihre Gültigkeit, es gibt keine eindeutige Baugestalt: Architek-tur wird als Prozess mit offenem Ausgang verstanden, vergleichbar mit den Ideen des Strukturalismus und Metabolismus in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts [Koo-Ob 11]. Eine Montageanleitung der Grund-einheit veranschaulicht die Einfachheit des konstruktiven Prinzips.

faZitMit diesem sehr klaren und anschaulichen Prinzip, nämlich einem einfachen und opti-mierten Stecksystem, wird auf überflüssige Elemente verzichtet. Diese Reduzierung, die außerdem kostengünstig ist, wird zur architektonischen Gestalt, die die Bewoh-ner selbst immer wieder wandeln können. Je nach Bedürfnissen und Lebensumstän-den schaffen sie eine »Stadt in der Stadt«, die sich entweder offener oder introvertier-ter an die Bewohner anpasst.

Natürlich müssen für dieses modellhafte Wohnen gewisse Spielregeln eingehalten werden, zum Beispiel die Grundstücks-grenzen, aber auch die Anordnung der Sanitär- und Erschließungskerne, die aus technischer Sicht weniger beweglich sind. Die Gruppierung einfacher Grundmodule mit diesen Vorgaben lässt eine kontrollier-te, komplexe und spannende Stadtstruktur mit abwechslungsreichem Raumgefüge entstehen. Die flexible würfelartige Struktur fordert zwar die konventionellen Vorstel-lungen des städtischen Wohnens heraus, bietet aber gerade für Großstädte als neues »Maximalwohnen« eine passende gemein-schaftliche Wohnform. «

136

Im Fachgebiet Fluidsystemdynamik der TU Berlin werden mehrere Untersuchun-gen zu Phänomenen an Abwasserpumpschächten durchgeführt. So ist zum Beispiel die Zuströmung in einen solchen Schacht von besonderer Bedeutung. Sie beeinflusst die Strömung im Schacht in großem Maße und kann somit eine Ablagerung von Sedimenten hervorrufen. Zusätzlich entsteht durch den Wasser-strahl, der auf die Wasseroberfläche trifft, ein Lufteintrag in die Pumpe. Für die Analyse der Auswirkung der Zuströmung in einem Abwasserpumpschacht wurde ein Modellprüfstand gefertigt, der eine gezielte Betrachtung des Lufteintrags und der Sedimentation erlaubt. Dafür sind alle relevanten Elemente aus Acryl-glas gefertigt. Die Zu- und Abströmung sowie der Pegelstand werden über eine Kreiselpumpe eingestellt. Hierüber lassen verschiedene Betriebszustände rea-lisieren. Ziel dieses Beitrags ist es zu zeigen, wie mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen der Lufteintrag in die Pumpe bestimmt werden kann, um damit bestehende Auslegungsmethoden von Schachtpumpwerken zu ergänzen und somit die urbane Infrastruktur zu verbessern. Darüber hinaus können aber auch bereits aufgestellte Schachtpumpwerke verbessert werden.

In the department of Fluid System Dynamics of the TU Berlin several studies on sewage pumping stations are carried out. For example, the inflow in such a se-wage pumping station is of particular importance. It influences the flow in the sewage pumping station to a great extent and can therefore cause a deposition of sediments. In addition the water jet which impinges the free water surface induces an air entrainment to the pump. In order to analyze the impact of the inflow in a sewage pump, a model test stand was made, which permits targeted observation of air entrainment and sedimentation. All essential elements of the test stand are designed as acrylic glass parts. The inflow and outflow and the water level can be adjusted via a centrifugal pump. Thereby all relevant opera-ting states can be realized. The aim of this article is to show how the air entrain-ment to the pump can be determined with the help of experimental studies to improve already existing pumping station design methods.

↗ M.SC. r. abou aCKl ↗ M.eng. a. Swienty ↗ Prof. Dr.-ing. P.u. tHaMSen ∧ technische universität Berlin

Weiterentwicklung vonAbwasserpumpschächten

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

137

einleitungAbwasserpumpschächte (siehe Abbil-dung 1) sind ein besonderer Bestandteil der urbanen Infrastruktur. Ihre Hauptaufga-ben sind das Sammeln von Abwasser aus den Wohngebieten sowie das Weiterpum-pen zum nächsten Abwasserpumpwerk. Die Bauart eines Abwasserpumpschachtes ist eine der einfachsten Umsetzungen von Pumpwerken und zeichnet sich durch eine simple Auslegung und die relativ günstigen Herstellungskosten bei vergleichbarem Pumpensumpf aus [1]. Die Pumpen sind in den meisten Fällen nass aufgestellt (im Abwasser).

Besonders wichtig für die Funktions-weise eines Schachtpumpwerkes ist die Zuströmung des Schmutzwassers. Dies beeinflusst die Strömungsverhältnisse im Schacht, was das Entstehen von Sedi-menten am Boden des Schachtes und ein Ansammeln von Faserstoffen hervorrufen kann. Diese können ein Verstopfen der Pumpe bewirken.

Á Abbildung 1: Abwasserpump-

schacht (links) und redundant betrie-

bene Tauchmotorpumpen (rechts)

138

Des Weiteren entsteht durch den Wasser-strahl, der auf die freie Wasseroberfläche im Schacht trifft, ein Lufteintrag in das Abwasser (siehe Abbildung 2). Dieses ist zu vermeiden, da die eingetragene Luft die Funktion der Abwasserpumpe beeinträch-tigt. Kreiselpumpen können Flüssigkeiten mit einem maximalen Gasanteil von 5 bis 10 Prozent ressourcenschonend fördern [2]. Vor allem kann aber auch der Lufteintrag zur Bildung explosionsfähiger und gesund-heitsschädlicher Gasgemische im urbanen Raum führen.

Á Abbildung 2: Lufteintrag in das Abwasser

Á Abbildung 4: Darstellung

der Versuchsparameter

beSCHreibung Der verSuCHSMetHoDiKAm Fachgebiet für Fluidsystemdynamik der Technischen Universität Berlin wurde ein physikalisches Modell (siehe Abbil-dung 3) im Maßstab von 1:3 eines Abwas-serschachtes erstellt. Alle wesentlichen Elemente eines Abwasserschachtes sind aus Acrylglas hergestellt worden, was eine hervorragende Beobachtung der Strömung ermöglicht. Die Zu- und Abströmung sowie der Pegelstand werden über eine Krei-selpumpe, Rohrleitungen und Armaturen eingestellt. Hierüber lassen sich alle rele-vanten Betriebszustände realisieren. Um die Vergleichbarkeit zwischen dem Modell und der realen Vorlage zu gewährleisten, wurden die folgenden Kennzahlen [3] kons-tant gehalten:

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

139

Á Abbildung 3: Modell des Abwasserschachtes

» Reynoldszahl – Vergleichbarkeit der Strömungsgeschwindigkeiten und Fluid-turbulenzen

» Froudzahl – Vergleichbarkeit der Geome-trie der freien Wasseroberfläche

» Weberzahl – Vergleichbarkeit der Ober-flächenspannung

Am Prüfstand lässt sich die Zulaufrichtung variieren. Neben der ursprünglichen Zuströ-mung, die entweder normal oder seitlich auf die Pumpe gerichtet ist, werden zu-sätzlich eine schräge und eine tangentiale Zulaufrichtung zu den Pumpen untersucht. Gerade die letztgenannte Zulaufrichtung ist von besonderem Interesse, da diese nur

selten verwendet wird. Diese resultiert aus der aufwendigen Anbringung der tangentia-len Rohrleitung, die eine längere Zeit in Kauf nimmt und damit kostenintensiver ist. Aller-dings ist bekannt, dass ein kräftiger Wirbel vor der Pumpe die Verstopfungsneigung reduziert. Dieser wird wiederum von einem tangentialen Zulauf in den Schacht ange-regt. In der Abbildung 4 ist zu sehen, wel-che Parameter am Versuchsstand variiert werden können. Neben den Zulaufrichtun-gen Z1 bis Z5 können auch unterschiedliche Pegelstände im Schacht eingestellt werden. Um zu beurteilen, inwieweit eine Zulaufrich-tung den Lufteintrag beeinflusst, kann zum einen die Größe des Luftblasenbereiches im

140

Schacht gemessen werden und zum ande-ren beurteilt werden, ob sich Luftblasen im Druckrohr der Pumpe befinden.

Um den Einfluss der Zulaufrichtung auf das Ablagern von Sedimenten zu beurteilen, wurden kleine Kunststoffpartikel verwen-det, die eine geringfügig höhere Dichte als Wasser besitzen. Dadurch setzen sich diese Partikel in Bereichen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit und in Tot-wassergebieten ab. Im Abwasser kann ein weites Spektrum an Fremdkörpern gefun-den werden. Dennoch lassen sich diese in drei allgemeine Kategorien unterteilen: schwimmende, schwebende und zu Boden

sinkende Fremdkörper [4]. Naturgemäß werden die schwebenden Festkörper mit der Flüssigkeit weitergefördert. Die zu Boden sinkenden Festkörper werden nur gefördert, wenn die Strömungsgeschwin-digkeit einen bestimmten Schwellenwert nicht unterschreitet. Generell gilt, dass bei geringeren Geschwindigkeiten als 0,3 m/s eine Gefahr der Bildungen von Sedimenten besteht. Die leichten Festkörper schwim-men an der Oberfläche der Flüssigkeit und reichern sich in Form von Schaum, auch Schwimmdecke genannt, an [5] [6]. In der Abbildung 5 ist zu erkennen, wie mit Hilfe von Höhenkarten die Ausprägungen der Ablagerung dokumentiert werden können.

Á Abbildung 5: Übertragung der gebildeten Ablagerungen in eine Höhenkarte (Ansicht von unten)

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

141

literaturverZeiCHniS[1]: American National Standards Institute

ANSI/HI 9.8, 2012. American National Stan-

dard for Pump Intake Design.

[2]: Gülich, J., 2008. „Kreiselpumpen: Hand-

buch für Entwicklung, Anlagenplanung und

Betrieb: Ein Handbuch für Entwicklung, An-

lagenplanung und Betrieb“, Springer.

[3]: Heller, V., 2011. “Scale effects in physi-

cal hydraulic engineering models”, Journal

of Hydraulic Research vol. 49, no. 3, pp.

293–306.

[4]: Weismann, D., Gutzeit, T., 2006. „Kom-

munale Abwasser-Pumpwerke“, Vulkan

Verlag.

[5]: Bollrich, D., 1989. „Technische Hydro-

mechanik. 2. spezielle Probleme“, Verlag für

Bauwesen.

[6]: Kobus, H., 1984. „Wasserbauliches Ver-

suchswesen. DVWK Schriften 39. Spezielle

Probleme”, Verlag Paul Parey.

KontaKtM. Sc. Raja Abou Ackl / M.Eng. Andreas Swienty / Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe ThamsenTechnische Universität BerlinFluidsystemdynamik – Sekr. K2Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin

» (030) 314 – 79741 / 27832 / 25262 » www.fsd.tu-berlin.de

ZuKünftige arbeiten Zur weiterentwiCKlung von SCHaCHtPuMPwerKen für Die StaDt Der ZuKunftMit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse aus den Untersuchungen am Modellprüfstand kann nun die am besten geeignete Zulauf-richtung im Original umgesetzt werden. Zusätzlich können im Bereich mit großer Sedimentationsgefahr schräge Ebenen eingebaut werden, damit die Ablagerungen in Richtung Pumpe rutschen und weiter-gefördert werden. Durch die Verwendung von Acrylglas beim Aufbau des Prüfstandes ist es auch möglich, hochgenaue Messun-gen der Strömungsverteilung im Schacht mittels PIV- oder LDV-Messverfahren durchzuführen. Darüber hinaus können CFD- beziehungsweise SPH-Simulationen für den Lufteintrag sowie Sedimentations-bildung am Modellprüfstand durch diese Messungen validiert werden. So können weiterführende Ideen zuerst numerisch un-tersucht werden, ohne längere Umbauten am Modell durchzuführen. «

142

Geometrisch anspruchsvolle Kunststoffteile mit hohen Oberflächenqualitäten sind Schlüsselkomponenten in zahlreichen innovativen Produkten des täglichen Lebens und der Medizintechnik. Zur Massenfertigung dieser Teile durch Spritz-gießen oder Prägen sind verschleißfeste und temperaturbeständige Formwerk-zeuge erforderlich. Dieser Forschungsbericht gibt Einblicke in Grundlagen und Anwendung des sogenannten Hochgeschwindigkeitsfräsens im Formenbau. Temperaturmessungen in der Werkstückrandzone tragen zum grundlegenden Verständnis der Reib-, Trenn- und Verformungsmechanismen bei der Spanbil-dung bei.

Plastic parts with complex surfaces and a high surface quality are required to mass-manufacture key-components for many innovative products in life-scien-ces, medical applications and consumer goods. This paper introduces cutting techniques for the manufacture of tool-inserts, which are necessary for injection molding and embossing of polymer materials. The application of High Speed Cutting (HSC) and the energy dissipation in ball-end milling will be discussed, respectively.

↗ Prof. Dr.-ing. Jörg SCHMütZ ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich Viii – maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik

Hochgeschwindigkeits-fräsen im Formenbau für das Spritzgießengeometrisch komplexer Kunststoffteile

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

143einleitungKunststoffteile mit optischen Oberflächen-qualitäten, Freiformflächen oder mikro-strukturierten Oberflächen sind Schlüssel-komponenten in zahlreichen innovativen Produkten. So ermöglichen strukturierte Kunststoffabdeckungen eine verbesserte Energieausbeute von Photovoltaikanlagen und die gezielte Ausleuchtung von Gebäu-den mit energieeffizienten LEDs. Mikropris-mengitter reflektieren Licht auf der Schutz-kleidung [1] und mikrofluidische Reaktoren (sogenannte Lab-on-a-Chip Systeme) simu-lieren lebende menschliche Organsysteme im Labor für die Krebsforschung oder die Medikamentenerprobung [2][3].

SPritZgieSSwerKZeug Mit auStauSCHbaren forMeinSätZenDurch Spritzgießen und Prägen lassen sich Kunststoffteile als Massenprodukte kosten-günstig replizieren. Hierfür sind Spritzgieß-formen aus temperaturbeständigen und verschleißfesten Werkstoffen erforderlich. Formeinsätze mit komplexen Geometrien lassen sich spanend durch Fräsen herstel-len. Um hochglänzende Oberflächen an Stahlwerkstoffen zu erhalten, erfolgt die Fertigstellung dieser Einsätze meist durch ein nachgelagertes Polieren.

Als typisches Anwendungsbeispiel zeigt Ab-bildung 1 ein Spritzgießwerkzeug, das als bewegliche Werkzeughälfte für eine Arburg Allrounder 221k Spritzgießmaschine ausge-legt ist. Die austauschbaren Formeinsätze (Grün) weisen eine Oberfläche mit konve-xen und konkaven Geometrieelementen so-wie verschiedenen Radienübergängen auf.

Á Abbildung 1: Schnittdarstellung ei-

nes Spritzgieß-Werkzeugs (Grau-Blau) mit

vier wechselbaren, zylindrischen

Formeinsätzen (Grün) [4]

144

Bei diesen Geometrien handelt es sich um sogenannte Freiformflächen, die mathema-tisch nicht durch geschlossene Funktionen beschreibbar sind. Derartige Oberflächen lassen sich durch Fräsen mit einem Kugel-kopffräser erzeugen, dessen Schneiden eine kreisbogenförmige Kontur besitzen.

Da die Bearbeitung auf einer Fräsmaschine mit mehreren synchron gesteuerten Bewe-gungsachsen mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann, empfiehlt sich die Optimie-rung des Prozesses durch ein CAM-System (CAM: Computer Aided Manufacturing, sie-he Abbildung 2).

Besonders wirtschaftlich ist das sogenann-te Hochgeschwindigkeitsfräsen mit sehr großen Spindeldrehzahlen und hohen Vorschubgeschwindigkeiten. Je nach An-wendungsweise lassen sich dadurch die Bearbeitungszeiten reduzieren oder – bei gleicher Bearbeitungsdauer – die Oberflä-chenqualitäten verbessern [6].

Bei hohen Spindeldrehzahlen unterliegen die Schneiden des Werkzeugs besonderen Belastungen. Dies gilt insbesondere für die Freifläche, die im schabenden Schnitt bei mikroskopischen Spanungsquerschnitten über die neu erzeugte Oberfläche gleitet.

Á Abbildung 2: CAM-Simulation des Kugel-

kopffräsens (links) [4] und Kugelkopffräser mit

rε = 6 mm Schneideckenradius (rechts) [5]

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

145

Á Abbildung 3: Anordnung zur Tempe-

raturmessung beim Kugelkopffräsen,

montiert auf dem Maschinentisch einer

Mikron WF31DE Fräsmaschine [7]

teMPeraturMeSSung in Der werKStüCKranDZone Die durch die Schneiden des Werkzeugs eingebrachte Energie wird bei der Zerspa-nung in Trenn-, Reib- und Verformungs-arbeit umgesetzt. Zum grundlegenden Verständnis der Verschleiß- und Trennme-chanismen tragen Temperaturmessungen in der Werkstückrandzone bei.

Hierzu werden Pt-100 Thermoelemente in das Werkstück eingesetzt, sodass die Enden der Thermoelemente wenige Zehn-telmillimeter unter der spanend zu bear-beitenden Oberfläche liegen. Die Fräsbe-arbeitung erfolgt auf einer Mikron WF31DE Fräsmaschine mit einer in die Hauptspindel integrierten Vorsatzspindel (IBAG HFK 90), die Drehzahlen bis zu 60 000 U/min zu-lässt [7].

In dieser speziellen Versuchsanordnung ist die Oberfläche des Werkstückes um 15 Grad quer zur Vorschubbewegung geneigt, damit der Kugelkopffräser stets außerhalb des Rotationszentrums in Eingriff kommt. Die Vorschubbewegung gegen die rotierenden Schneiden der ortsfesten Spindel wird durch den Maschinentisch ausgeführt, auf dem das Werkstück aufgespannt ist.

Das Werkstück ist aus dem korrosionsbe-ständigen, rostfreien Stahl ISOPLAST M340 gefertigt. Härtemessungen zeigen eine Ein-dringhärte von 26 HRC. Als Werkzeug dient ein Kugelkopffräser (Schneideckenradius rε = 6 mm) aus unbeschichtetem Hartme-tall. Durch die Wahl des passenden Werk-zeugs (Schneidstoff und Schneidengeomet-rie) kann das Material trocken ohne Zugabe von umweltbelastenden Kühlschmiermit-teln bearbeitet werden.

146Die kalibrierten Thermoelemente liefern ein temperaturproportionales Spannungs-signal. Das Ausgangssignal der Thermoele-mente im Werkstück ist permanent referen-ziert gegen ein identisches Thermoelement in einem Eisbad (0 Grad Celsius).

Mit dieser Anordnung kann die Erwärmung des Werkstückes in der Randzone nachge-wiesen und quantifiziert werden. Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist die Kontaktzeit zwischen Schneide und Werk-stück sehr kurz. Hierdurch steht wenig Zeit für einen Wärmeübergang zur Verfügung und so wird nur ein sehr kleiner Teil der entstehenden Wärmeenergie in das Bauteil eingebracht.

Dies belegen die Temperaturmessungen sehr anschaulich: Während das Werkzeug in parallel versetzten Bahnen (Zeilensprung b = 0,1 mm) über die Oberfläche des Werk-stückes fräst, heizt sich die Randzone des Werkstückes bis zum Ende der Bearbeitung lediglich um 1,5 Grad Celsius auf [7].

Da sich der Fräser dem Thermoelement pe-riodisch nähert und sich dann wieder ent-fernt, bilden sich die einzelnen Bahnen des Fräsers in der Temperaturmessung als klei-ne lokale Maxima ab. Überfährt der Fräser die Werkstückoberfläche über dem Thermo-element, so steigt die Temperatur dort kurz-zeitig um 0,17 Grad Celsius, um anschlie-ßend wieder teilweise abzuklingen [7].

Á Abbildung 4: Spannungssignal eines Ther-

moelements in der Werkstückrandzone bei einer

Spindeldrehzahl von 38 000 U/min (Zustel-

lung ap = 0,3 mm, Vorschubgeschwindigkeit

vf = 2 m/min, Zeilensprung b = 0,1 mm) [7]

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

147

literaturverZeiCHniS[1]: Riemer, O.; Schmütz, J.: »Kleinste Strukturen

und winzige Späne – Spanende Fertigungs-

verfahren in der Mikrotechnik«. F&M, Vol.

107(1999)9: S. 55–58.

[2]: Schimek, K. et al.: »Integrating biological va-

sculature into a multi-organchip microsystem«.

Lab Chip, 13/2013, S. 3588–3598.

[3]: Marx, U. et al.: »›Human-on-a-chip‹ Develop-

ments: A Translational Cuttingedge Alternative

to Systemic Safety Assessment and Efficiency

Evaluation of Substances in Laboratory Animals

and Man?«. ATLA Vol. 40, 2012, S. 235–257.

[4]: Fadzil et al.: »Fertigung eines Spritzguss-

Werkzeugs mit HSC-Frästechnologie«. Master-

Projektbericht Übung Neue Fertigungstechnolo-

gien, Beuth Hochschule für Technik, Berlin 2013.

[5]: Reith, D. et al.: »Zur Untersuchung des Hoch-

geschwindigkeitsfräsens«. Master-Projektbe-

richt Übung Neue Fertigungstechnologien, Beuth

Hochschule für Technik, Berlin 2015.

ZuSaMMenfaSSungDie dargestellten Bearbeitungsversuche tragen zum grundlegenden Verständnis der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung im Formenbau bei. An einem schwer bearbeitbaren, korrosionsbeständigen Edelstahl konnte die Erwärmung durch die Bearbeitung mit einem Kugelkopf-fräser quantifiziert werden. Eine auf die

[6]: Hock, S.; Janovsky, D. in Schulz, H. (Hrsg.):

»Hochgeschwindigkeitsbearbeitung – High-

Speed Machining«. Hanser-Verlag, München

1996.

[7]: Adam et al.: »Hochgeschwindigkeitszerspa-

nung – Analyse und Charakterisierung der Hoch-

geschwindigkeitsbearbeitung am Beispiel des

Fräsprozesses«. Master-Projektbericht Übung

Neue Fertigungstechnologien, Beuth Hochschu-

le für Technik, Berlin 2013.

KontaKtProfessor Dr.-Ing. Jörg SchmützBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich VIII – Maschinenbau, Veran-staltungstechnik, VerfahrenstechnikLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 5136 » [email protected]

Bearbeitungsaufgabe abgestimmte Werk-zeugauswahl vermeidet umweltbelastende Kühlschmierstoffe. Gegenstand weiterfüh-render Forschungsarbeiten sind Verschlei-ßuntersuchungen, die Zerspanung des gehärteten Materials (Hartbearbeitung) sowie das Fräsen von Formwerkzeugen für mikrofluidische Reaktoren (Lab-on-a-Chip Systeme). «

148

Der Klimawandel ist allgegenwärtig. Die Meeresspiegel steigen und zerstörende Überschwemmungen in vielen Ländern sind nicht zu übersehen. Andererseits wächst die Weltbevölkerung und auch das Recht auf angemessenen Wohnraum nimmt weiter zu. In diesem Zusammenhang bilden schwimmende Siedlungs-strukturen die Grundlage für eine nachhaltige Lösung. Hierbei sind viele Fragen zu klären. Die künstlich geschaffene Lausitzer Seenkette und die natürliche Gewässerumgebung Berlins sind ein gutes Experimentierfeld für schwimmende Bauten.

The climate change takes place. The sea levels are rising and the cases of dest-roying floods in many countries we have to note. On the other side the mankind is growing and also the right of adequate housing. In this context worldwide floating settlements could be the basis of a sustainable city in future. A lot of topics must be researched. The artificial Lusatian lake- land and the surrounding natural waters of Berlin are a good test field of practice for floating buildings.

↗ Prof. Dr. SC. teCHn. HorSt StoPP ↗ Dr.-ing. Peter StrangfelD ∧ Btu cottBus-senftenBerg ∧ fakultät 6, fg bauphysik und gebäudetechnik

Schwimmende Architektur – (nicht nur) Chancen für die Berliner und Brandenburger Gewässer

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

1491 einleitungDie bewusst gewählte Mehrdeutigkeit des Titels sei kurz erläutert:

» Schwimmende Bauten bedeuten nicht nur Chancen, sondern bezüglich der damit verbundenen Belastungen der Gewässer infolge Temperaturänderungen und Abfall oder gereinigter und ungerei-nigter Abwässer auch Risiken. Dies gilt umso mehr, je höher die Belegungsdich-te der Wasserflächen bis hin zu Megaci-ties ausfällt.

» Schwimmende Bauten ermöglichen im Zusammenhang mit dem durch den Klimawandel bedingten Verlust von Bauflächen auf dem Festland durch den Anstieg der Meeresspiegel einerseits und Wüstenwanderungen andererseits aber auch neue Ressourcen an Bauflä-chen. Hierzu zählen nicht nur natürliche Gewässer, sondern auch veraltete Stadt-häfen und Kanäle oder Tagebauseen.

» Nicht zuletzt ergeben sich über die Aus-wertung von Versuchen und durch die Entwicklung neuer Technologien Mög-lichkeiten des Exports von Know-how und Produkten in bereits heute durch den Meeresspiegelanstieg gefährdete Küstenregionen. Damit sind sowohl der Erhalt regionaler Arbeitsplätze als auch die Schaffung neuer Produktionsstät-ten verbunden. Letzteres erfordert den wissenschaftlichen Vorlauf im Interesse nachwachsender Generationen.

2 Ziel unD aufgabenSPeKtruMDas Siedeln auf Wasserflächen steht welt-weit an. Subjektiv besitzt der Mensch auf-grund seiner biologischen Herkunft einen Drang zum Wasser. Objektiv wächst infolge weltweiter Bevölkerungszunahme (lt. aktu-eller UN-Statistik stärker als bislang ange-nommen) und zunehmenden Anspruchs-denkens der Bedarf an Siedlungsfläche selbst in demografisch schrumpfenden In-dustrienationen. Hinzu kommt die Reduzie-rung von vorhandener Infrastruktur und ge-eignetem Bauland durch den Klimawandel. Auch Binnenländer und damit Brandenburg sind direkt und indirekt von dieser Entwick-lung betroffen. Bereits geringfügig erhöhte Meeresspiegel vermindern den Abflussgra-dienten der Flüsse und intensivieren die Auswirkungen von Hochwasserereignissen. Die durch europäische Richtlinien bedingte Ausschreibung und Anlage von Retenti-onsräumen im Rahmen der geforderten Hochwassermanagementpläne sind hierfür erste Anzeichen. Schwimmende Bauten als touristische Anziehungspunkte einerseits und lokale Erfahrungsträger für künftigen Export andererseits sowie aufschwimmbare Objekte zur wirtschaftlich verbesserten Nutzung von nicht klassisch bebaubaren Hochwasserschutzräumen bieten eine innovative Lösungsstrategie für gegenwär-tige Problemstellungen und weitsichtige Chancen.

150

Á Abbildung 1: Schwimmende Schilfrohrar-

chitektur auf dem Titicaca See, Peru, G. Noack

Á Abbildung 2: Einbeinfischer vor schwim-

menden Gärten in Myanmar, A. Staar

Á Abbildung 3: Schwimmstadion für WM 2022

in Quatar, Entwurf Peter Knoebel, Düsseldorf

Á Abbildung 4: Entwurf einer Moschee, Küh-

lung über Wasserberieselung, Koen Olthuis

Á Abbildung 5: Marina am Geierswalder See

Lausitzer Seenland, Haustyp »Arche«

Á Abbildung 6: Schwimmende Kirche »Vineta«

Leipziger Neuseenland, Rohser, Reinhard

Das Lausitzer Seenland mit seinen unter-schiedlichen Uferstrukturen und Wasser-qualitäten gilt es, als Experimentierfeld für Schwimmende Architektur konkurrenzfest

auszubauen. Dabei geht es zum einen um die Stützung der Tourismusbranche mit baulichen Alleinstellungsmerkmalen und zum anderen langfristig um den Aufbau

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

151von Produktionskapazitäten für den Ex-port schwimmender Bauten einschließlich Zubehör vorrangig in Gebiete, die zeitnah aus existenziellen Gründen auf schwim-mende Siedlungsstrukturen ausweichen müssen. Fragen des Materialeinsatzes und konstruktiver Belange, der autarken Ver- und Entsorgung, der Umweltbelastung und der Wirtschaftlichkeit, aber auch das soziale Verhalten von Mensch und Tier auf begrenztem Raum, Probleme der Sicher-heit bei unterschiedlichsten klimatischen Randbedingungen sowie die Wechselwir-kungen zwischen Technik und Umwelt sind theoretisch und experimentell zu bearbei-ten. Zudem geht es um die Technologie aufschwimmbarer Objekte, die geeignet ist, eine Evakuierung bei Hochwasserereignis-sen weitgehend zu vermeiden.

3 globale unD regi-onale SituationDie Nutzung von Wasserflächen als Sied-lungsgebiet ist keine Erscheinung der Neuzeit.

Während anfangs Gesichtspunkte der Si-cherheit gegenüber Feinden und tierischen Schädlingen im Vordergrund gestanden ha-ben, dient heute schwimmende Architektur eher als Aushängeschild von Städten und Regionen beziehungsweise zur Aufwertung veralteter Industriekomplexe oder neu ent-standener Tagebauseen. Die Bildbeispiele (siehe Abbildung 1 bis 6) einschließlich der Erläuterungen sprechen für sich.

Á Abbildung 7: Spiralwärmeübertrager, Auftriebsströmung in freier Wasserumgebung

mit einer Starttemperatur 15 °C, Soletemperatur ≈ 5 °C, Durchflussmenge 0,54 l/min

152

4 löSungSStrategienVon den durch die vielfältigen aufgabenbe-dingten Lösungsanforderungen sollen im Folgenden zwei Strategien näher demonst-riert werden.

4.1 wärMeübertrager Zur nutZung alternativer energienDie Verwirklichung der Autarkie bezüglich Ver- und Entsorgung ist aus mehreren Gründen erstrebenswert: vermehrter Ein-satz alternativer Energiearten, bessere Sicherheitskonzepte, Reduzierung des Aufbaus und der Wartung von Leitungssys-temen. Aus Vorarbeiten der Antragsteller mittels numerischer Simulation und Mes-sungen sind Teilergebnisse zu den Leis-tungen von zwei Wärmeübertragerformen in Gewässern bekannt (siehe Abbildung 7 und 8).

In weiteren Untersuchungen und insbe-sondere durch Langzeitmessungen vor Ort in Verbindung mit genutzten Objekten werden mittels weiterer Berechnungen und deren Validierung optimierte Ausführungs-varianten ermittelt. Hierzu sind sowohl materialtechnische Parameter (thermische sowie mechanische Eigenschaften) und Abmessungen der Wärmeübertrager selbst (Windungsdichte, Durchmesser, Wan-dungsdicke, Rohrlängen, Leitbleche) als auch die Positionierung der Übertrager im Gewässer bezüglich Tiefe und Strömung zu variieren. Als Ausführungsformen stehen die üblichen Spiralwärmetauscher und sog. Kompaktwärmeübertrager zur Verfügung. Eine in der Fakultät entwickelte mobile Thermal-Response-Gerätetechnik einschl. ausreichender Erfahrungen bildet hierfür die Voraussetzung (siehe Abbildung 9).

Á Abbildung 8: Kompaktwärmeübertrager der Firma Frank GmbH.

Ermittlung der Temperaturverteilung mittels numerischer Simulation (näherungsweise 2-dimensional)

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

153

4.2 unterSuCHungen ZuM bewegungS-verHalten SCHwiMMenDer obJeKteNeben numerischer Simulation (siehe Abbildung 10) der Reaktion von Ver-suchsplattformen unterschiedlicher Ausführung auf Wellenbelastungen erfolgt die Untersuchung beziehungsweise Vali-dierung der Berechnungen mit Hilfe einer breiten wasserbaulichen Versuchsrinne im Versuchsfeld der Bauingenieurhalle

auf dem Campus Sachsendorf der BTU C-S (siehe Abbildung 11 und 12). Der Standort erlaubt den hilfreichen Einsatz der Hallenkranbahn sowie die Aufzeichnung von Messungen, die auf den natürlichen Gewässern so nicht ohne Weiteres durch-führbar sind. Die Wasserwellenerzeugung erfolgt pneumatisch und gestattet die Vorgabe unterschiedlicher Wellenhöhen und Frequenzen.

Á Abbildung 9: Untersuchungen mit einer mobilen

Thermal-Response-Technologie (Geräteausführung

im Vordergrund) an Spiralwärmeübertragern am

Gräbendorfer See im Lausitzer Seenland

154

5 wirtSCHaftliCH-KeitSbetraCHtungDas Potenzial schwimmender Architektur hängt in starkem Maße von den Standorten ab. Dazu gehören als vorteilhafte Standor-te für die Errichtung von schwimmenden Einzelbauten oder größeren Siedlungs-strukturen vorzugsweise dicht besiedelte Küstenregionen und Flusseinzugsgebiete.

Weiterhin sind die geologischen Verhält-nisse der Uferstruktur und die Häufigkeit der Unwetterereignisse zu berücksichtigen. Die Auswahl der Standorte für den Einsatz schwimmender Architektur müssen ab-hängig von den Zielvorstellungen und den jeweils herrschenden Nutzungsbedingungen betrachtet werden:

Á Abbildung 10: Numerische Simulation des Bewegungsverhaltens eines

Pontonschwimmkörpers mittels Software ANSYS FLUENT 13.0. Modellversuch Maßstab 1:5

Á Abbildung 11: 15 Meter lange, wasserbauli-

che Versuchsrinne mit pneumatischer Wellen-

erzeugung; Wellenabsorber im Hintergrund zur

Vermeidung von Wasserwellenreflexionen

Á Abbildung 12: Test einer Versuchsplattform in

der wasserbaulichen Versuchsrinne mit Blick in

Richtung Wellenerzeuger; Testobjekt mittels elas-

tischer Seile in den horizontalen Ebenen fixiert.

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

155

KontaKtDr.-Ing. Peter StrangfeldDie Brandenburgische Technische Universität Cottbus-SenftenbergLipezker Straße 47, 03048 Cottbus

» (0355) 5818 – 613 » [email protected] » (0355)5818 – 812 » [email protected]

» Entwicklung touristischer Gebiete als Urlaubsziele (zum Beispiel Ferienhäuser, Tauchschule im Lausitzer Seenland, Insel Rügen oder Usedom)

» Schaffung von Wohnsiedlungen und öf-fentlichen Gebäude in dicht bevölkerten Regionen der Erde (Niederlande, Bangla-desch, Lagos in Nigeria)

» Maßnahmen als Anpassung an die infolge des Klimawandels steigenden Meeresspiegel (zum Beispiel Floating Islands in Malediven) und Zunahme von Hochwasserereignissen

Ein Entscheidungsträger verfolgt in der Re-gel gleichzeitig mehrere Ziele, zusammen-gefasst in einem Zielsystem. Die Festlegung der Entscheidungskriterien ist innerhalb eines rationellen betriebswirtschaftlichen Entscheidungsverfahrens ein wichtiger Schritt, wenn mehrere Varianten einer Pro-blemlösung erarbeitet werden sollen. Die Kriterien für die Beurteilung des Nutzwertes einer Immobilie sind somit vom Entschei-dungsträger und dessen Nutzungszielen abhängig und sollen quantifiziert darge-stellt werden.

Die Entscheidungsträger schwimmender Bauten können als potenzielle Investoren, Eigentümer oder Mieter von schwimmen-den Ferienobjekten eingeordnet werden. Für eine wirtschaftliche Vergleichsbetrach-tung sind für unterschiedliche Standorte Zielsystem und Zielkriterien aus Sicht der vorstehenden Nutzer zu erarbeiten und auszuwerten.

6 ZuSaMMenfaSSung unD auSbliCKDas gewässerreiche Land Brandenburg ein-schließlich der Berliner Gewässer und die europaweit einmalige, künstlich geschaf-fene Lausitzer Seenkette bilden eine gute

Gefördert vom

Voraussetzung für die wissenschaftliche Bearbeitung der Thematik »Schwimmende Architektur – Bauen am und auf dem Was-ser«. Eine unter dem gleichnamigen Thema stattfindende Weiterbildungsmaßnahme durch das Institut IfSB der BTU Cottbus-Senftenberg trägt dazu bei, Architekten und Ingenieure auf zeitnah anstehende Chancen und Problemfelder vorzubereiten. Mit dem Abschluss des derzeit laufenden Wachstumskerns »Autartec« unter Einbe-ziehung von über zehn Industriepartnern der Regionen Ostsachsen und Südbranden-burg einschließlich der Fraunhofer-Institute IVI und IKTS in Dresden sowie der BTU Cottbus-Senftenberg werden dessen Ergeb-nisse 2017 in Form eines schwimmenden Demonstrators vorgestellt. Damit erfährt die Lausitzer Seenlandschaft nach dem ge-zielten Start durch die IBA »Fürst-Pückler-Land« eine weitere Aufwertung bezüglich Schwimmender Architektur. «

156

Die charakteristischen Parameter für Sondergebäude im Bestand lassen sich anhand der beispielhaften Betrachtung von Zoogebäuden im Dauerbetrieb bestimmen. Dabei werden über ein Jahr thermografische, thermische und kalo-rimetrische Messungen der U-Werte, Bauteil-Feuchtegehalte sowie der Umge-bungsparameter, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit inner-halb und außerhalb der Gebäudehülle durchgeführt. Die empirische Auswertung erlaubt einen Transfer auf weitere Sondergebäude sowie die Entwicklung von Benchmarking-Methoden für die Bausubstanzanalyse.

The example of inventory zoo buildings allows the determination of characteris-tic parameters of continuously running special buildings. For this purpose, ther-mographic, thermal and calorimetric measures of U-values, structure humidity as well as the environmental parameters such as air temperature, humidity and velocity within and without the building envelope are performed over one year. The empirical evaluation of results permits transfer to other special structures and the development of benchmarking methods for building parts analysis.

↗ Prof. DiPl.-ing. KatJa bieK ∧ Beuth hochschule für technik Berlin ∧ fachbereich iV – architektur und gebäudetechnik ↗ DiPl.-ing. Jörg rüDiger ∧ technische universität Berlin ↗ M. SC. alexanDra SCHultriCH ∧ Beuth hochschule für technik Berlin

Nachhaltigkeit und Ener-gieeffizienz in Sonder-anlagen (BioClime-Projekt) Teilaspekt: Methodik Bauteilanalyse – U-Werte für Bestandsgebäude

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

157

einleitungDie energetische Optimierung von Son-dergebäuden im Bestand ist die Heraus-forderung mit dem deutlich größten Ener-gieeinsparpotenzial bei der Umsetzung der Energiewende. Öffentliche und private Gebäude, viele davon noch vor der ersten Wärmeschutzverordnung 1979 gebaut, verbuchen 40 Prozent des Primärenergie-bedarfs [Bun 15]. Viele öffentliche Sonder-gebäude fallen in diese Bauepoche. Die Betreiber öffentlicher Tier- und Freizeitanla-gen etwa kommen in diesem Prozess ihrer Vorbildrolle nach, ihre Besucher über den Zusammenhang zwischen Naturschutz und menschlichem Handeln auf vielfältige und attraktive Weise aufzuklären. Zusätzlich erreichen die Betreiber durch die prakti-sche Umsetzung von Energieeinspar- und Energieeffizienzmaßnahmen im Gebäude-bereich ein breiteres Publikum, da die glo-balen Aufgaben des Klimaschutzes anhand praktischer Beispiele begreifbar gemacht werden können.

MetHoDiK Der bauteilanalySeKonkrete Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz in Sondergebäuden er-fordern die umfassende Analyse der Bau-teil- und Betriebsparameter. Dabei besteht das Problem, dass eine Vielzahl von Daten sowie Methoden für deren Auswertung zur Verfügung stehen. Zusätzlich sind diese Daten gezielt und während des Betriebs der Sondergebäude zu erfassen. Um diese Aufgabe lösen zu können, werden anhand konkreter Sonderanlagen Methoden der Bauteilanalyse entwickelt.

Die Bauteilanalyse umfasst zunächst die qualitative Betrachtung kritischer Stellen an der Gebäudesubstanz. Ausgehend von verschiedenen Ansätzen der Daten-sammlung, von der Bestandsaufnahme der Nutzungsdaten mittels Fragebogenaus-wertung bis zur Analyse des tatsächlichen Energieverbrauchs können erste Aussagen zu potenziellen kritischen Stellen getroffen werden. Bei der Begehung der relevanten Gebäudeabschnitte eignen sich Thermogra-fie-Aufnahmen und stichprobenweise Mes-sungen typischer Parameter (Feuchtegehal-te, Temperaturen) für die Erstellung eines Überblickes zu möglichen Schwachstellen sowie zur Anfertigung von Messplänen für die quantitative systematische Bausub-stanzanalyse. Die Bestimmung der Bau-teilparameter kann durch Messungen an dezidierten kritischen Stellen geschehen. Zusätzlich werden die Umgebungsparame-ter (Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Luftge-schwindigkeiten) innerhalb und außerhalb der Gebäudehülle erfasst.

158

Abbildung 1 zeigt Tagesverläufe für U-Wertmessungen an Beton-Bauteilen, an denen starke Luftströmung in der Nähe von Hotspots (Warmwasser) für einen deutlichen Einfluss des Konvektions- und Strahlungswärmeübergangs sorgen. Inner-halb diskreter Zeitintervalle lassen sich ab-schnittsweise Mittelwerte bilden. Niveau-sprünge um bis zu 50 Prozent geben den Gebäudebetrieb wieder: Bei Heizungs- und Lüftungsbetrieb sinkt der für den Wärme-übergang entscheidende konvektive Wär-meübergangswiderstand an der Innenseite der Wand. Das heißt, dass der U-Wert über den gesamten Wandbereich entsprechend steigt. Diese Tendenz ist mittels zweier Messmethoden gut reproduzierbar:

1. Temperaturmethode – thermische Mes-sung nach DIN EN ISO 6946: indirekte Er-

mittlung des spezifischen Wärmestroms als Ergebnis der Oberflächentemperatu-ren am Material und den umgebenden Lufttemperaturen

2. Wärmeflussmethode – kalorimetrische Messung nach ISO 9869 (Entwurfsfas-sung): direkte Ermittlung des spezifi-schen Wärmestroms

Zwei Tendenzen sind grundsätzlich für den U-Wert erkennbar: An gedämmten Wandele-menten tritt, entgegen den Erwartungen, ein überdurchschnittlich hoher Wert auf, der im Bereich der U-Werte an Wärmebrücken liegt. Die mittleren U-Werte für Wandbereiche sind weniger starken Schwankungen unter-worfen. Sie ergeben daher für die Fläche ei-nen repräsentativen Gesamt-Mittelwert bes-ser wieder als einzelne Bauteile, wie etwa

Á Abbildung 1: Tageslinie für eine U-Wertmessung nach der Wärmeflussmethode an einer

kritischen Stelle

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

159

Tragwerkselemente, in der Summe. Beide Messverfahren, Temperaturmethode und Wärmeflussmethode, ergänzen sich prinzi-piell (siehe Abbildung 2). Minimale Schwan-kungsbreiten für U-Werte ergeben sich bei hohem treibenden Temperaturgefälle (<15 K) und über einen längeren Zeitraum (Messin-tervalle nach Norm beziehungsweise Her-stellerempfehlungen von 24–72 h) [Nag 14].

Mittels der Dimensionsanalyse können Hüllkurven für die Benchmark des U-Werts und dessen Prognostizierung erstellt wer-den. Ansatzweise lassen diese Kurven auf die Ursachen der durchweg erhöhten U-Werte vor Ort gegenüber den Werten im Bestand schließen.

Folgende Ursachen können hierfür festge-halten werden: Einerseits können Änderun-

gen in der Struktur der Bauteile gegenüber den Bestandsplänen (zum Beispiel Orna-mentglas mit Metallgitterstruktur) fest-gestellt werden. Die deutliche Erhöhung des U-Werts gegenüber den Werten der Bestandspläne beim Sandwich-Beton lässt auf eine Degradation im Bereich dieser Bauteile schließen, die zur Bildung lokaler Wärmebrücken führt. Kondenswasser-Nie-derschlag durch Bewuchs an Glas und Be-tonwänden hat eine Erhöhung des U-Werts zur Folge, da die Wärmeübergangswider-stände lokal durch unkontrollierte Luftströ-mungen beträchtlich sinken. Die Wärme-übergangswiderstände sind vor allem an den Innenseiten der Wände entscheidend für den Gesamt-Wärmeübergang.

Folgende Entwicklungsformel führt zu Trend- beziehungsweise Hüllkurve als obe-

Á Abbildung 2: Vergleichende Betrachtung von U-Werten aus Messungen mit der Temperatur- und

Wärmeflussmethode an verschiedenen Versuchstage (R12 = 02/2015, R13 = 05/2015)

160

re Benchmark für die U-Werte verschiede-ner mineralischer Baumaterialien (Beton, Sandwich-Beton, Ziegel):

a = Geometrie-Konstante K1 = Material-Konstante K2 = Phasenverschiebung Baujahr – Inbetriebnahme

Abbildung 3 bestätigt die Tendenz der oben ausgeführten Ursachenanalyse. Kritische Bauteileabschnitte finden sich sowohl im bodennahen Bereich als auch im Bereich der Wärmebrücken und des Pflanzen- und Flechtenbewuchses.

In der Nähe von Hotspots sind die mine-ralischen Bauteile gut ausgetrocknet. Die gemessenen Werte bleiben im Bereich von

5 bis 15 Prozent, direkt am Heizungssystem zum Teil unter 5 Prozent. Bauteile, die zur Aufnahme von Feuchtigkeit neigen, befin-den sich tendenziell in Bodennähe und in der Nähe von Wärmebrücken. Insbesonde-re Ecken im kalten, bodennahen Bereich am gedämmten SW-Beton weisen Spuren von Bewuchs auf. Die Wandfeuchtegehalte steigen lokal auf über 16 Prozent.

Folgende Gegenmaßnahmen sind, abge-sehen von Eingriffen in die Bausubstanz selbst, im laufenden Betrieb möglich:

» Turnusmäßige Entfernung von Ver-schmutzungen und Bewuchs an Glas (Flechten)

» Vermeidung unkontrollierter Luftströ-mung: zum Beispiel Fensterlüftung regelmäßig in Zeiten von Heizungs- und Lüftungsstillstand durchführen, oder au-tomatisierte Regelung von Heizung und Lüftung

Á Abbildung 3: Bauteilanalyse über Materialfeuchtemessungen mit Benchmarking für

charakteristische Bauteile

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

161

literaturverZeiCHniS[Bun 15]: CO2-Gebäudesanierung – energieef-

fizient Bauen und Sanieren, Webseite der Bun-

desregierung der Bundesrepublik Deutschland,

Stand: 31.08.2015 www.bundesregierung.de/

Webs/Breg/DE/Themen/Energiewende/Energie-

sparen/CO2-Gebaeudesanierung/_node.html

[DIN 08]: DIN EN ISO 6946; Bauteile – Wärme-

durchlasswiderstand und Wärmedurchgangsko-

effizient; April 2008

[DIN 13]: DIN 4108-4; Wärmeschutz und Energie-

Einsparung in Gebäuden – Teil 4: Wärme- und

feuchteschutztechnische Bemessungswerte;

Februar 2013

[Han 08]: Handbuch Betonschutz durch Be-

schichtungen, Expert Verlag 1992, Seite 413

[Nag 14]: ISO 9869 Wärmeflussmethode; aus

U-Wert Bestimmung für eine unbekannte Ge-

bäudehülle mit dem gSKIN® U-Value KIT der

greenTEG AG; Dr. Zoltán Nagy, Architektur und

Gebäudesysteme, ETH Zürich; Seiten 3 ff.

Gefördert vom

[Sch 00]: Schwarze, H.: Peltier-Module PdN-Ph.

2/49 Seite 29 bis 31, Abschnitt 2 »Drei Antriebs-

mechanismen« (2000)

KontaKtProf. Katja BiekBeuth Hochschule für Technik BerlinFachbereich IV – Architektur und GebäudetechnikLuxemburger Straße 10, 13353 Berlin

» (030) 4504 – 2535 » [email protected] » projekt.beuth-hochschule.de/bioclime

» Unterbindung von Warmluftaustritt durch Absaugung und Rückführung der war-men Deckenluft

» Dämmung der Bauteile im bodennahen Bereich

» Dämmung der flächenintensiven Glas-bedachung durch transparente Pneuma-tiksysteme

ZuSaMMenfaSSung Die energetische Optimierung von Sonder-gebäuden erfordert methodische Ansätze zur systematischen und übertragbaren Datenauswertung. Die Normen, Methoden und die Messtechniken für die Evaluation von Sondergebäuden im laufenden Betrieb sind vorhanden und werden stetig verbes-

sert. Sie werden allerdings aufgrund des hohen Aufwands der Datenklassifizierung in der Praxis nur unzureichend genutzt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens BioClime wird mittels Bauteilanalyse über wenige charakteristische Parameter eine Methode zur schnellen Entwicklung eines Benchmarking realisiert. Diese Methode führt zu einer umfassenden Erfassung von Benchmarking-Daten für mineralische Bau-teile. Eine Weiterentwicklung der Methode für weitere Geometrien für Gebäudehüllen und für weitere Materialien an für den Wärmeschutz kritischen Gebäudestellen verspricht eine verbesserte qualitative und quantitative Ein schätzung vorhandener Bestandsdaten. «

R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

163

POSTERURBANE TECHNOLOGIEN

164

• Prof. Kai Kummert · Beuth Hochschule für Technik Berlin · [email protected]


Urbane Technologien

Energieeffizienzlücke Das Thema „Energieeffizienz“ spielt in Zeiten knapper und teurer natürlicher Ressourcen eine gewichtige Rolle. In der Realität zeigt sich, dass die im Planungsmodell prognostizierten energetischen Optimierungspotenziale im Betrieb häufig nicht erreicht werden. Insbesondere zu stark idealisierte oder irrtümlich als valide an-genommene Rahmenbedingungen führen zu Abweichungen zwi-schen Planung und anschließendem Betrieb. Exogene Treiber (z. B. volatile Energietarife) oder endogene Störfaktoren (z. B. unsach-gerechte Eingriffe in technische Fahrweisen) können diese Rah-menbedingungen beeinflussen.

Methodik von ModEnCoDer ganzheitliche Ansatz ermöglicht es Eigentümern, Betreibern, Planern und Beratern alle Phasen des Lebenszyklus von Energie-systemen zu planen, zu kontrollieren und zu steuern. Die Metho-dik folgt der zyklischen Methodik eines kontinuierlichen Verbes-serungsprozesses (KVP):

» Planen (Plan): Planung von Fahrweise und System- struktur des Energiesystems


» Prüfen (Check): Monitoring des Energiesystems (Energieeffizienzlücke messen)


Modellbasiertes Energiecontrolling

• Energieeffizienzlücke (nach Umsetzung einer effizienzfördernden Maßnahme)

• Hohe Komplexität moderner Energieversorgungssysteme durch Kopplung der technischen Anlagen

• ModEnCo-Methodik

• Darstellung eines Energieversorgungssystems (inklusive Tarif-, Mess- und Steuerkomponenten)

Quelle: ModEnCo

Abbildungen: ModEnCo

Das IGF-Vorhaben 18280 BG der Forschungsvereinigung Gesellschaft zur Förderung ange-wandter Informatik e.V. - GFal, Volmerstraße 3, 12489 Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bun-desministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bun-destages gefördert.



Urbane Technologien












Quelle: ModEnCo













10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

165

In der Neuköllner Flughafenstrasse befindet sich zwischen Her-mannstrasse und Fontanestrasse eine städtebaulich skurrile Situ-ation, da dort über eine Länge von etwa 250 Meter mehrere Brand-wände die Südseite der Strasse bilden. Diese urbane Anomalie ist Resultat einer Strassenverbreiterung aus den 60er Jahren, in denen die Berlin-typischen fünfgeschossigen Vorderhäuser zur Schaffung einer »autogerechten« Stadt abgerissen wurden. Diese Maßnahme scheint heute noch sinnloser als vor 50 Jahren. Ent-standen ist ein »Raum«, in dem sich niemand gern aufhält und der als hässlich-abweisend wirkende Schneise das urbane Gefü-ge zerschneidet und zerstört.

Ausgehend von den OECD-Kriterien für Berlin als Stadt der Zukunft hat eine Masterklasse Architekturstudierender eine Case Study für diese Rück- oder Wiederbebauung erarbeitet. Die Ergebnisse wurden dem Stadtentwicklungsamt des Bezirksamts Neukölln als Gastkritiker vorgestellt. Auf Einladung des Wissenschaftszentrums für Sozialforschung Berlin WZB und der Bürgerstiftung Neukölln diskutierten Hochschulwissenschaftler, Vertreter aus Administra-tion und Politik des Bezirks und dem Bundestag diese Case Study zu den Themen Stadtentwicklung, Bildung, sozialer Status, Migra-tion und Integration.

»ArbeitsRaumHaus« Flughafenstrasse Urbane Rückbebauung einer Brandwandschneise

• Prof. Dr. Susanne Junker · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]

Das maximale Volumen mit den Abmessungen 250 Meter Länge mal 28 Meter Breite mal 22 Meter Höhe eventuell zuzüglich einzel-ner Hochhäuser wurde in zahlreichen Studien hinsichtlich Propor-tion, Besonnung, Verschattung, Lärmemission, öffentlicher und interner Erschließung variiert und immer weiter auf den heutigen urbanen Kontext angepasst. Nach Stadtspaziergängen wurden mit Mindmaps Prämissen für die »neue Fassade« entwickelt, von hellen freundlich empfundenen Farben über ökologische und recycelte Materialien bis zu vertika-len Gärten und »urban farming« in Wintergärten und auf Dachter-rassen. Tag- und Nachtstudien simulieren Transparenz für einla-dende Offenheit sowie Transluzenz zum Beispiel für schimmernde Beleuchtung in der Nacht. Das so entstehende neue Haus mit ei-ner sehr langen Nordfassade bietet sich besonders an für das Ar-beiten in Ateliers, Studios oder neudeutsch »coworking spaces«, gemischt mit Bibliotheks-, Mediatheks-, Sport- und Freizeitnut-zungen wie Yoga- und Tanzschulen - zusammengefasst also ein »Raum« als »Haus« für ein »Arbeitsraumhaus«. Ein derartiger um-gekehrter Rückbau ist eine nicht nur angemessene wenn nicht gar überfällige Stadtreparatur, sondern zeigt Neukölln als urbanen, höchst lebendigen, kreativen Teil Berlins.

• Auszug Bebauungsplan 1958, Bezirksamt Neukölln; heutige Strasse mit überlanger Brandwand und dem »Leer-Volumen«, Fotografie und Graphik Susanne Junker

• 3D-Volumenstudien, Renderings Jens Müller und Levi Zill, Masterstudenten Beuth Hochschule für Technik Berlin

• Case Study Visualisierungen: schimmernder Hochhaus-Keil, Daniel von Boros und Simon Gerschewski; offenes Ensemble aus Punkt häusern, Brücken und Stegen mit Fassadenverkleidung aus recyceltem Holz, Sabiha Arslan, Leonie Lorenz, Maria Ott; vertikale Gärten mit öffentlichen Terrassen, Natalia Yaskorskaya und Jacob Mau; »urban farming« und gläserne Wintergarten-Blobs, Diego Sierra Lopez, Francesco Scarpati, Yasmine Hrimeche; Masterstudenten Beuth Hoch schule für Technik Berlin

Case Study

Quelle: Bezirksamt Neukölln

Quelle: Müller/Zill

Quelle: Janker

Urbane Technologien












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877










Case Study



Quelle: Janker

Urbane Technologien












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


166

Abwasserpumpschächte sind ein besonderer Bestandteil der ur-banen Infrastruktur. Ihre Haupt-aufgaben sind das Sammeln von Abwasser aus den Wohngebieten sowie das Weiterpumpen zum nächsten Abwasserpumpwerk. Die Bauart eines Abwasserpump-schachtes ist eine der einfachs-ten Umsetzungen von Pumpwer-ken und zeichnet sich durch eine simple Auslegung und die rela-tiv günstigen Herstellungskos-ten bei vergleichbarem Pumpen-sumpf aus. Die Pumpen sind in den meisten Fällen nass aufge-stellt (im Abwasser).

ProblematikEine störungsfreie Funktion eines Schachtpumpwerkes hängt zum großen Teil von der Zuströmung des Schmutzwassers ab. Diese beeinflusst die Strömungsverhältnisse im Schacht, was das Entstehen von Sedimenten am Boden des Schachtes und ein Ansammeln von Faserstoffen hervorrufen kann. Diese kön-nen ein Verstopfen der Pumpe bewirken. Des Weiteren entsteht durch den Wasserstrahl, der auf die freie Wasseroberfläche im Schacht trifft, ein Lufteintrag in das Abwasser. Dieses ist zu vermeiden, da die eingetragene Luft die Funktion der Abwasserpumpe beeinträchtigt. Kreiselpumpen können Flüssigkeiten mit einem maximalen Gasanteil von 5-10 % ressourcenschonend fördern. Zusätzlich entstehen durch den Lufteintrag explosionsfähige und gesundheitsschäd-liche Gasgemische im urbanen Raum.

ErgebnisseDie Versuche am Modell haben gezeigt, dass die Zuströmrich-tung ein wichtiger Faktor beim Betrieb eines Schachtpumpwer-kes darstellt. So kann durch die Verwendung einer tangentialen Zulaufrichtung der Lufteintrag und das Entstehen von Sedimen-ten reduzieren werden. Es gilt nun diese Erkenntnis am Original umzusetzen.

VersuchsmethodikAm Fachgebiet für Fluidsystemdynamik der Technischen Universität Berlin wurde ein phy-sikalisches Modell im Maßstab von 1:3 eines Abwasserschachtes erstellt. Alle wesentlichen Elemente eines Abwasserschachtes sind aus Acrylglas hergestellt worden. Die Zu- und Ab-strömung sowie der Pegelstand werden über eine Kreiselpumpe, Rohrleitungen und Arma-

Weiterentwicklung von Abwasserpumpschächten

• Raja Abou Ackl, M.Sc. · Technische Universität Berlin• Andreas Swienty, M.Eng. · Technische Universität Berlin• Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen · Technische Universität Berlin

turen eingestellt. Hierüber lassen sich alle relevanten Betriebs-zustände realisieren. Am Prüfstand lässt sich die Zulaufrichtung variieren. Neben der ursprünglich normal oder seitlich auf die Pumpe gerichteten Zuströmung, werden zusätzlich eine schrä-ge und eine tangentiale Zulaufrichtung zu den Pumpen unter-sucht. Gerade die tangentiale Zulaufrichtung ist von besonde-rem Interesse, da diese nur selten verwendet wird. Diese resultiert aus der aufwendigen Anbringung der tangenti-alen Rohrleitung am Schacht. Um zu beurteilen inwieweit eine Zulaufrichtung den Lufteintrag beeinflusst, wird die Größe des Luftblasenbereichs im Schacht gemessen. Außerdem wird be-obachtet, ob sich Luftblasen im Druckrohr der Pumpe befinden. Um den Einfluss der Zulaufrichtung auf das Ablagern von Sedi-menten zu beurteilen, wurden kleine Kunststoffpartikel verwen-det, die eine geringfügig höhere Dichte als Wasser besitzen. Dadurch setzen sich diese Partikel in Bereichen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit und in Totwassergebieten ab.

Fotos: Andreas Swienty


Urbane Technologien



Urbane Technologien












Quelle: ModEnCo













10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

167

• Prof. Dr.-Ing. Jörg Schmütz · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]


Urbane Technologien

Geometrisch anspruchsvolle Kunststoffteile mit hohen Oberflä-chenqualitäten sind Schlüsselkomponenten in zahlreichen in-novativen Produkten. Zur Massenfertigung dieser Teile durch Spritzgießen oder Prägen sind verschleißfeste und temperatur-beständige Formwerkzeuge erforderlich.

Bei diesen Geometrien handelt es sich um sogenannte Freiform-flächen, die mathematisch nicht durch geschlossen Funktionen beschreibbar sind. Derartige Oberflächen lassen sich durch Fräsen mit einem Kugelkopffräser erzeugen, dessen Schneiden eine kreisbogenförmige Kontur besitzen.

Besonders wirtschaftlich ist das sogenannte Hochgeschwindig-keitsfräsen mit sehr großen Spindeldrehzahlen und hohen Vor-schubgeschwindigkeiten. Je nach Anwendungsweise lassen sich dadurch die Bearbeitungszeiten reduzieren oder – bei gleicher Be-arbeitungsdauer – die Oberflächenqualitäten verbessern [6].

Fräsen eines SpritzgiesswerkzeugsDurch Spritzgießen und Prägen lassen sich Kunststoffteile als

Massenprodukte kostengünstig replizieren. Hierfür sind Spritz-gießformen aus temperaturbeständigen und verschleißfesten Werkstoffen erforderlich. Formeinsätze mit komplexen Geome-trien lassen sich spanend durch Fräsen herstellen.

Als typisches Anwendungsbeispiel zeigt Abb. 1 ein Spritzgieß-werkzeug, das als bewegliche Werkzeughälfte für eine Arburg Allrounder 221k Spritzgießmaschine ausgelegt ist. Die aus-tauschbaren Formeinsätze (grün) weisen eine Oberfläche mit konvexen und konkaven Geometrieelementen sowie verschie-denen Radienübergängen auf.

ZusammenfassungDie durchgeführten Bearbeitungsversuche tragen zum grundle-genden Verständnis der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung im Formenbau bei. An dem schwer bearbeitbaren, korrosionsbe-ständigen Stahl Isoplast M340 konnte die Erwärmung der Werk-stückrandzone durch die Bearbeitung mit einem Kugelkopffrä-ser gemessen werden. Dies trägt zum Verständnis der Reib-, Verformungs- und Trennvorgänge bei. Eine auf die Bearbeitungs-aufgabe abgestimmte Werkzeugauswahl vermeidet zudem um-weltbelastende Kühlschmierstoffe (Trockenbearbeitung).

Hochgeschwindigkeitsfräsen im Formenbau für Spritzgießen geometrisch komplexer Kunststoffteile

• Abbildung 1: Schnittdarstellung eines Spritzgieß-Werkzeugs (grau-blau) mit vier wechselbaren, zylindrischen Formeinsätzen (grün). [4]

• Abbildung 2: CAM-Simulation des Kugelkopffräsens (links) [4] und Kugelkopffräser mit r = 6 mm Schneideckenradius (rechts) [5]











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877










Case Study



Quelle: Janker

Urbane Technologien












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


168

Der Umgang mit den vorhandenen Ressourcen in Städten, Quar-tieren und Gebäuden ist das aktuelle Thema unserer Zeit. Eine Etappe ist bis 2020 eine Reduzierung der CO

2-Emissionen um 40%

und eine Erhöhung der erneuerbaren Energien um 20%. Die Unter-suchung der Machbarkeit für ein als Beispiel ausgewähltes Quar-tier mit Sondernutzung steht im Fokus der Untersuchungen. Die Ergebnisse basieren auf Verbrauchsanalysen und sind somit di-rekt und anwendungsorientiert sowie im Feld validierbar. Für das Beipielquartier wurde bereits 2009 ein energetischer Masterplan entwickelt, der prospektiv die Instandsetzungsbedarfe und die zu erneuernden Techniken berücksichtigt. So können Erkenntnisse und Ergebnisse auf andere Quartiere übertragen werden.

AusgangssituationDie Erhöhung des Anteils an regenerativen Energien bedarf einer entsprechenden Infrastruktur, die i.d.R. ebenfalls modernisiert werden muss. Versorgungsbereiche auf regenerative Energiequel-len umzustellen bedingt im Vorfeld durchgeführte Rationalisierungs- Investitionen. Um diese nachhaltig zu implementieren, ist der ener-getische Masterplan für das gesamte Quartier zu beachten.

Anwendungsbeispiel – WärmeDas Energieeffizienz-Bullenhaus von 2013 im Elefantenpark wird vollkommen autark mittels einer geothermischen Wärmepumpe (Q

th =14 kW) beheizt und mit Warmwasser versorgt. Durch die re-

generative Wärmeversorgung wurden im Jahr 2014, im Vergleich zur herkömmlichen Versorgung, über den Gaskessel der Heizzen-trale 30% CO

2-Emissionen eingespart, vgl. Abb. 2.

Quartiersanalyse – Strom

TeilergebnisFür das Modellquartier wird festgestellt, dass mittels der konse-quenten Umsetzung von ressourcenschonenden Instandsetzungs-maßnahmen die Ziele im Bereich Wärme erreicht werden können. Weiterführende Modellrechnungen und Simulationen beziehen Nutzungsanforderungen, Nutzer und Flexibilität eines Quartiers ein. Geplante Erweiterungen und sonstige Instandsetzungen müs-sen sukzessive betrachtet werden. Ziel ist es, verlässliche Aussa-gen zur Nachhaltigkeit zu erhalten und in die dynamischen Pro-zesse einzubeziehen.

CO2-Reduzierung – Regenerative Energie Regenerative Energiesysteme werden hinsichtlich ihrer Emissions-werte unterschiedlich bewertet. CO

2-Äquivalente dienen als Fak-

toren und beschreiben wieviel Gramm Kohlendioxid durch die Be-reitstellung 1 kWh Wärme- bzw. Elektroenergie emittiert wird, vgl. Abb. 1.

• Abb. 4: CO2-Einsparung durch die PV-Anlage (2010-2014)

• Abb. 1. CO2

– Äquivalente für Wärme und Strom

• Abb. 2. CO2

– Reduzierung durch Einsatz einer Wärmepumpe

• Abb. 5. – SOLL/IST-Gegenüberstellung für Wärme -und Elektroenergie

Kooperation: Allwetterzoo Münster – BAnTec GmbH

Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Sonderanlagen (SysEff-Projekt) Teilaspekt: Energieeffizienz in Quartieren – Implementierung der theoretischen CO

2-Einsparpotenziale

Die kontinuierliche Erweiterung der Liegenschaft führt zu einem fast linearsteigenden Stromverbrauch seit 1990. Die regenerati-ven Wärmeerzeugungsanlagen benötigen Strom als Hilfsenergie. Der Mehrverbrauch auf der Stromseite verringert die CO

2-Emissio-

nen auf der Wärmeseite. Die 2009 installierte Photovoltaikanlage erzeugt ca. 35.000 kWh/a elektr. Energie. Das entspricht einem durchschnittlichen Anteil am Gesamtverbrauch von fast 2,5%. Un-ter Beachtung der in Abb.1 aufgeführten Äquivalente kann somit ca. 2,2% CO

2-Emissionen eingespart werden, vgl. Abb.4.

• Prof. Katja Biek · Beuth Hochschule für Technik Berlin · [email protected]

Gefördert durch: FKZ 03ET1035J

Gefördert durch:


Urbane Technologien

• Abb. 3: Stromverbrauch mit und ohne PV-Anlage (1990-2014)

Abbi

ldun

gen:

Sys

Eff,

Prof

.K.B

iek,

Dat

en A

llwet

terz

oo M

ünst

er



Urbane Technologien












Quelle: ModEnCo













10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

169

• Prof. Dr.-Ing. Huu-Thoi Le · Beuth Hochschule für Technik Berlin · E-Mail: [email protected]

• Jack Polowczyk, M.Eng. · Beuth Hochschule für Technik Berlin


Urbane Technologien

Realisierung AufheizoptimierungHerkömmliche mechanische Thermostatventile eignen sich für die-sen Anwendungsfall nur eingeschränkt und unter dem Hintergrund der Gesamtsystembetrachtung gar nicht mehr. Der Austausch von Informationen wird erst durch elektronische Regeleinrichtungen ermöglicht. Neben der Erfassung der Raumtemperatur liefern sie die aktuelle Stellung des Ventilhubes und ermöglichen Aussagen über den Lastzustand des Raumes. Des Weiteren lassen sich die gewünschten Raumtemperaturen z.B. über eine zentrale Regeleinheit als Sollwertprofile übergeben. Das kann auch ein angepasstes Profil im Sinne der Aufheizoptimierung sein. In einem adaptiven Verfahren, das in der zentralen Regeleinheit implementiert ist, werden die thermischen und hydraulischen Wechselwirkungen im System berücksichtigt. Das Verfahren berechnet dabei gewichtete Gradienten der Raumtemperaturen sowohl des aktuellen Tages, als auch aller zurücklie-genden Tage. Mithilfe des Gradienten kann der Aufheizbeginn unabhängig von der Raumtem-peraturabsenkung und der Länge der Nutzungs-pause berechnet werden.

Aktuelle Entwicklungen in der Heizungstechnik stellen den Infor-mationsverbund der wesentlichen Komponenten einer Heizungs-anlage (Abb. 1) immer mehr in den Fokus. Das Ergebnis ist eine Gesamtsystembetrachtung unter Berücksichtigung der Wech-selwirkungen dieser Komponenten. Daraus resultieren Vorteile für den thermischen Nutzerkomfort und für die Energieeffizienz einer Heizungsanlage.

ZusammenfassungDas Verfahren der Aufheizoptimierung ermöglicht es bei wech-selnden Randbedingungen die gewünschten Raumtemperaturen zuverlässig einzuhalten und den thermischen Nutzerkomfort je-derzeit sicherzustellen. Zudem lassen sich weitere Systemopti-mierungen gekoppelt durchführen, wie u.a. der dynamische hyd-raulische Abgleich, die Adaption der Vorlauftemperatur oder der Pumpenleistung.

Nutzer und HeizungsanlageDas Ziel einer Heizungsanlage ist die Versorgung von Räumen mit Heizenergie entsprechend der Vorgabe des Nutzers. Seinen Be-darf definiert er über die Raumtemperatur und die Uhrzeit. Bedingt durch das thermische Raumverhalten (Trägheit) ist eine Raum-temperaturänderung aber immer mit einer gewissen Verzögerung verbunden. Je nach Gebäude, Anlagenparameter und Wetter kann diese unter Umständen mehrere Stunden betragen. Um die gefor-derten Raumtemperaturen planmäßig einzuhalten, muss die Auf-heizung daher eine gewisse Zeit zuvor stattfinden. Das kann mit der sog. Aufheizoptimierung erfolgen.

Nutzerkomfort durch Aufheizoptimierung

• Vergleich der Raumtemperaturen mit und ohne Aufheizoptimierung

• Abb. 1. Zusammenwirken der Komponenten einer Heizungsanlage im Informationsverbund mit einer zentralen Regeleinheit

• Elektronische Regeleinrichtung der RaumtemperaturregelungFoto: Kiebak&Peter











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877










Case Study



Quelle: Janker

Urbane Technologien












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


170

• Michael Dienst · Beuth Hochschule für Technik Berlin · [email protected]


Urbane Technologien

MuseumMehr als 175 Berliner Museen bewahren Geschichte, Kunst und Wissen auf. Das avisierte Vorhaben MuLAB behandelt die Frage, wie in einer „Stadt der Zukunft“ die konservierende, vermittelnde und generative Funktion der Museen auf zukünftige Gestaltungs-fragen erweitert werden kann. Methoden der Produktentwicklung auf der Basis komplexer phy-sikalischer Modelle sind der Kern unserer rezenten Forschung. Sie helfen Gestalt und Betriebsweise archaischer Technik zu ent-schlüsseln und bereiten einen Transfer in innovative Technik vor.

WirDie Kompetenzen der Berliner Arbeitsgruppe im Projekt MuLAB sind Methoden der industriellen Produktentwicklung und alle Spielarten der Modellierung, Simulation, Berechnung und Visua-lisierung physikalischer Phänomene: Strömungssimulation (Com-putational Fluid Dynamics, CFD), Strukturanalyse (Finite Element Methode, FEM), gitterlose Strömungssimulation (Smoothed Par-ticle Hydrodynamics, SPH) und zukünftig auch virtuelle Visualisie-rungsszenarien.

ArtefakteDas Krabbenscherensegel (crabs claw sail, CC-Rig) stammt aus Po-lynesien und wird auf Auslegerkanus verwendet. Die ozeanische marine Technikkultur wurde von den westlichen Entdeckern in ih-rer Exzellenz vollkommen unterschätzt, denn die Segel der polyne-sischen Seefahrzeuge entsprachen nicht den herrschenden Kons-truktionsparadigmen der alten Welt. Zu der Zeit der Entdeckungsreisen war das CC-Rig eine tradierte Konstruktion, die seit mehr als 4000 Jahren nahezu unverändert existierte: ein Indiz hochoptimierter Gestalt und Funktion. Wir ver-muten, dass dieses Segel ein für die Überwindung der in dieser Re-gion typischen „Riffwellen“ konditioniertes System darstellt und die von der Riffwelle bedingte physikalische Wirkungsweise die eigentümliche Form des Krabbenscheren-Riggs hervorbrachte.

KontextPrinzipiell ist die Wellenform eine Funktion der Topologie des Un-tergrunds. An der Außenriffkante entstehen starke und eigentüm-lich kurze Brandungswellen. Ein Ziel der Forschung im Vorhaben MuLAB ist die numerische Untersuchung jener Schiffsbewegun-gen, die beim Überwinden der Riffwellen vorherrschen. Mit der SPH-Methode soll ein virtueller Wellenkanal aufgebaut und die Arbeitsergebnisse der computerexperimentellen Untersu-chung an einem realen Wellenkanal verifiziert werden. Die ermit-telten Schiffsbewegungen, insbesondere das intermittierende Be-schleunigen des Riggs in der Riffwelle, sollen das nichtstationäre Auftriebsgebaren der Krabbenscherensegel erklären.

MuLAB. Das Museum als Labor für Maritime Zukunftstechnik

• Rifftopologie

Grafik: Mi. Dienst

Projektpartner

• Prof. Dr.-Ing. Joachim Villwock, Beuth Hochschule für Technik Berlin

• Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Jonas, Institut für Transportation Design, Hochschule für bildende Künste Braunschweig

• Dr.-Ing. Karsten Hochkirch, DNV GL, Potsdam / Hamburg

• Vertr.-Prof. Dominik Schumacher, Industrial Design Institut,

Fachhochschule Magdeburg-Stendal

• Dipl.- Ing. Michael Dienst, Beuth Hochschule für Technik Berlin

Quellen: [DSM-14] Deutsches Schifffahrtsmuseum Bremerhaven http://www.dsm.museum/presse/kann-das-museum-zu-einem-labor-der-zukunftsgestaltung-werden.5566.de.html (abgerufen 02032016)



Urbane Technologien












Quelle: ModEnCo













10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


R

esea

Rch

Day

20

16

//

Urb

ane

Tech

no

log

ien

171

• Janina Lehmann · Institut für angewandte Forschung Urbane Zukunft · [email protected] · Prof. Dr. Michael Prytula


Urbane Technologien

Die Transformation urba-ner Räume zu nachhaltigen Strukturen ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit. Diese Transformation umfasst gleichermaßen und einander bedingend ökolo-gische, räumliche, bauliche, soziale, kulturelle, gestalteri-

sche, infrastrukturelle, technologische und ökonomische Aspek-te, für deren Herausforderungen es keine einfachen und sektora-len Lösungen gibt. Der forschungsorientierte Masterstudiengang „Urbane Zukunft“ befähigt Studierende, vernetzt zu denken und interdisziplinär zu arbeiten, ihre Kreativitäts- und Innovationspotenziale zu erschlie-ßen und profunde Kenntnisse und Kontakte für die forschende Praxis zu erwerben. Die Vermittlung fachlicher und methodischer Kompetenzen zu einer fundierten Analyse komplexer Zusammen-hänge und die Entwicklung integraler Lösungen für aktuelle Her-ausforderungen stehen im Mittelpunkt.

Themen » Gebaute Stadt: Nachhaltige Entwicklung urbaner Infrastruktur » Soziale Stadt: Kommunikation, Demographie und Sozialstruktur

» Digitale Stadt: Analyse und Visualisierung urbaner Daten » Wechselwirkungen im System Stadt » Transdisziplinäre Forschungsmethoden » Projekt- und Transformationsmanagement

Perspektiven » Transformationsmanagement, Forschung und Entwicklung im Kontext von Stadtentwicklung

» Projektmanagement im Bereich urbane Services, Infrastrukturen, Start-Ups und internationalen Organisationen

» Leitungspositionen, insbesondere in interdisziplinären Teams » Tätigkeit in angrenzenden Wissenschaftsgebieten » Promotion

Die Stadt von morgen studierenKonzept für einen inter- und transdisziplinären Masterstudiengang an der Fachhochschule Potsdam

M. Dörk, M. Prytula, T. Schröder

Studiendauer4 Semester, Vollzeitstudium

Zulassung Auswahlverfahren

Bewerbung Einsendung von Motivationsschreiben, Lebenslauf und Zeugnis-sen online bis 15. Juli; Beginn nur im Wintersemester

ZugangsvoraussetzungenFormal Thematisch einschlägiger, erster berufsqualifizierender Hoch-schulabschluss, bei dem mindestens 180 ECTS-Leistungspunkte erworben wurden (6 Semester in Vollzeit) in raumbezogenen, so-zialwissenschaftlichen und technologischen Disziplinen.

Persönlich » Interesse an kreativer Tätigkeit » Analytische und konzeptionelle Denkweise » Selbstständigkeit, Kommunikations-, Organisations- und TeamfähigkeitLernformen

» Seminare, Projektarbeit z. T. mit Partnern, Vorlesungen, Übungen

Studienablauf1. und 2. Semester: Methoden, fachliche Vertiefung, Projekte und Wahlfächer3. Semester: Forschungspraktikum4. Semester: Masterarbeit











10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877










Case Study



Quelle: Janker

Urbane Technologien












10.1007/BFb0026610




10.1371/journal.pcbi.1000877


172

© 2017 BWV ∤ Berliner Wissenschafts-Verlag GmbH Markgrafenstraße 12–14 10969 Berlin

www.bwv-verlag.de bwv@bwv-verlag. de

Printed in Germany. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks von Auszügen, der photo-mechanischen Wiedergabe und der Über-setzung, vorbehalten.

Eine Publikation der Beuth Hochschule für Technik Berlin Luxemburger Straße 10 13353 Berlin

(030) 4504-2043

Impressum

HerauSgeber/-inProf. Dr. rer. nat. Monika Gross (Präsidentin)

Prof. Dr. rer. nat. Sebastian von Klinski (Vizepräsident für Forschung und Hochschulprozesse) www.beuth-hochschule.de

reDaKtionCathérine Markworth

SatZ unD geStaltungMariele Bergmann und Mathias Neumann

titelFoto des Modells »Die Waisenbrücke – Neuinterpretation einer urbanen Verbin-dung« von Detlev Kerkow und Tom Walter

fotoSJürgen Daum (Umschlag, Seiten 15 bis 19)

Januar 2017 ISBN: 978-3-8305-3756-4

bibliografiSCHe inforMation Der DeutSCHen nationalbibliotHeKDie Deutsche Nationalbibliothek verzeich-net diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte biblio-grafische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

R

esea

Rch

Day

20

16

173

Research Day 2016Stadt der ZukunftTagungsband – 5.7.2016

Rese

arch

Day

201

6 –

Stad

t der

Zuk

unft

research day 2016 stadt der zukunft - bht-berlin.de

Documents